JP2014007466A

JP2014007466A - 回線割当装置および回線割当方法

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Publication number: JP2014007466A
Application number: JP2012140074A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Nakahira; 勝也中平; Takatoshi Sugiyama; 隆利杉山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】端末の要求速度を満たしつつ、システム全体で利用できる帯域と電力を有効利用する回線の割り当てを行う。
【解決手段】マルチキャリア通信回線の割り当てを行う回線割当装置において、端末局装置からの回線要求に対して、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせである複数の回線候補を導出する手段と、複数の回線候補のシステム帯域利用率およびシステム電力利用率をそれぞれ算出する手段と、複数の回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補を絞り込む手段と、絞り込んだ回線候補のシステム帯域利用効率とシステム電力利用率の差の絶対値と２乗和の積または和である評価値を算出し、当該評価値が最小の回線を決定して割り当てる手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、端末局と端末局がノード局を介して通信を行う無線通信システムにおいて、ノード局の帯域と電力を有効利用するように端末局への回線割り当てを制御する回線割当装置および回線割当方法に関する。

図４に示す衛星通信システムや図５に示すセルラ通信システムのような無線通信システムでは、端末局が回線割当装置から指示された回線を用い、通信衛星局やセルラ基地局（本明細書では「ノード局」という）を介して端末局と端末局が通信を行う。このような無線通信システムでは、全通信回線の帯域の総和はノード局が利用できる全帯域（以下、「システム帯域」という）に制限される。また、全通信回線の電力の総和はノード局が利用できる最大送信電力（以下、「システム電力」という）に制限される。

マルチキャリア伝送では、周波数スロット毎に通信方式を変えることができる。ここで、周波数スロットとは、マルチキャリア伝送における周波数の処理単位であり、マルチキャリアの帯域幅に相当する。また、通信方式とは、表１に示すような変復調方式と誤り訂正符号化率の組み合わせであり、通信方式に対しスペクトラム利用効率（帯域あたりの伝送ビットレート）とビットエネルギー対雑音電力密度比Ｅ_b／Ｎ₀が一意に決まる。

周波数スロット数により１回線の所要帯域を制御し、通信方式により１回線の所要帯域を多くする代わりに所要電力を少なくする。また逆に、１回線に所要電力を多くする代わりに所要帯域を少なくする制御を行う。これにより、システム帯域とシステム電力の有効利用を目指す回線割当法として非特許文献１に記載される方法があり、これを従来法と呼ぶ。

従来法では、図６に示すように、１回線の伝送速度が要求速度以上となる周波数スロット数と、周波数スロット毎に通信方式が異なる回線候補を導出する。次に、回線候補毎に評価値（後述）を計算する。最後に全ての回線候補の中で最も評価値が小さい回線候補を決定する。ここでは、３周波数スロットに、ＱＰＳＫ−7/8 、ＱＰＳＫ−1/2 、ＱＰＳＫ−1/2 の組み合わせが選択される例を示す。

評価値による回線決定手順について説明する。
ｉ番目の回線候補の所要帯域をＷ(i) とし、所要電力をＰ(i) とするとき、ｉ番目の回線候補の割り当てを行った場合のシステム帯域利用率Ｗr(i)、システム電力利用率Ｐr(i)を次式で定義する。なお、システム帯域をＷsys 、割当済み回線の総帯域をＷagn 、システム電力をＰsys 、割当済み回線の総電力をＰagn とする。

図７は、回線候補ｉにおけるシステム帯域利用率Ｗr(i)とシステム電力利用率Ｐr(i)の関係を示す。図中の線分α(i) と線分β(i) は次式となる。

線分α(i) は、回線割当によりシステム帯域とシステム電力の利用状況が、平衡状態に対してどれくらい乖離しているかを示す。すなわち、α(i) が短いほどシステム帯域とシステム電力の利用バランスが良い。また、線分β(i) は、回線割当によるシステム帯域とシステム電力の総合的な利用量を示す。すなわち、β(i) が短いほどシステム帯域とシステム電力の利用量が総合的に少ない。そこで従来法では、回線候補の中からα(i) と線分β(i) の積である評価値γ(i) ＝α(i) ×β(i) が最小の回線を割り当てていた。

中平, 小林、"衛星リソースを最大利用する適応アクセス制御技術（衛星通信) "、電子情報通信学会技術研究報告、SAT2010-77、pp.7-12 (2011-02)

図８は、従来法による回線割当例とその課題を示す。ここでは、要求速度を満たす回線候補のシステム帯域利用率Ｗr(i)とシステム電力利用率Ｐr(i)の一部をプロットした例を示し、従来法では、評価値γ(i) が最小である回線候補Ａが割り当てられる。

一方、回線候補Ａに対して、システム帯域利用率Ｗr とシステム電力利用率Ｐr が共に小さい回線候補が多数存在する。例えば、回線候補ＤのＷr は回線候補Ａと同一であるが、Ｐr は回線候補Ａより小さい。さらに、回線候補Ｂ，ＣのＷr とＰr は回線候補Ａより共に小さい。すなわち、回線候補Ａは回線候補Ｂ，Ｃ，Ｄより評価値γは小さいものの、所要帯域または所要電力が大きいことになる。従来法は、このように所要帯域または所要電力が大きい回線候補を選択して割り当てる可能性があり、帯域と電力が無駄になる問題点がある。

本発明は、端末の要求速度を満たしつつ、システム全体で利用できる帯域と電力を有効利用する回線の割り当てが可能な回線割当装置および回線割当方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数の端末局装置と、当該端末局装置の通信を中継するノード装置と、これらの通信に用いられるマルチキャリア通信回線の割り当てを行う回線割当装置とにより構成される無線通信システムの回線割当装置において、端末局装置からの回線要求に対して、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせである複数の回線候補を導出する手段と、複数の回線候補のシステム帯域利用率およびシステム電力利用率をそれぞれ算出する手段と、複数の回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補を絞り込む手段と、絞り込んだ回線候補のシステム帯域利用効率とシステム電力利用率の差の絶対値と２乗和の積または和である評価値を算出し、当該評価値が最小の回線を決定して割り当てる手段とを備える。

第１の発明の回線割当装置において、複数の回線候補を導出する手段は、要求速度を満たす複数の回線候補の数に上限を設ける構成である。

第２の発明は、複数の端末局装置と、当該端末局装置の通信を中継するノード装置と、これらの通信に用いられるマルチキャリア通信回線の割り当てを行う回線割当装置とにより構成される無線通信システムの回線割当方法において、回線割当装置は、端末局装置からの回線要求に対して、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせである複数の回線候補を導出するステップと、複数の回線候補のシステム帯域利用率およびシステム電力利用率をそれぞれ算出するステップと、複数の回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補を絞り込むステップと、絞り込んだ回線候補のシステム帯域利用効率とシステム電力利用率の差の絶対値と２乗和の積または和である評価値を算出し、当該評価値が最小の回線を決定して割り当てるステップとを有する。

第２の発明の回線割当方法において、複数の回線候補を導出するステップは、要求速度を満たす複数の回線候補の数に上限を設ける。

本発明は、要求速度を満たす複数の回線候補から、自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補の絞り込みを行い、残りの回線候補から評価値が最小の回線を決定することにより、端末局の要求速度を満たしつつ、システム全体で利用できる帯域と電力を有効利用する回線割当を実施することができる。

本発明の回線割当方法の処理手順を示すフローチャートである。本発明における回線候補と割当回線を示す図である。本発明の回線割当装置の構成例を示す図である。衛星通信システムの構成例を示す図である。セルラ通信システムの構成例を示す図である。従来法による回線割当例を示す図である。回線候補ｉにおけるシステム帯域利用率Ｗr(i)とシステム電力利用率Ｐr(i)の関係を示す図である。従来法による回線割当例とその課題を示す図である。

図１は、本発明の回線割当方法の処理手順を示す。
図１において、手順１では、要求速度Ｒreq を特定し（Ｓ１）、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせを初期回線候補として導出する（Ｓ２）。ここでは、回線候補ｉの周波数スロット数をＤ(i) 、回線候補ｉのｊ番目の周波数スロットが用いる通信方式のスペクトラム利用効率をη(i,j) 、周波数スロットの帯域幅をＷsub とするとき、次式を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせが初期回線候補として導出される。

ここで、式(6) を満たす初期回線候補は無限数あるので、初期回線候補の数を有限個に制限する。制限するための基準としては、例えば最大速度係数をσ（σ＞１）を設定し、次式を満たす初期回線候補に限定する。有限個の初期回線候補の数をＮ個とする。

続いて、各初期回線候補ｉの所要帯域および所要電力を計算し（Ｓ３）、式(1),(2) に基づいて初期回線候補ｉのシステム帯域利用率Ｗr(i)およびシステム電力利用率Ｐr(i)を算出する（Ｓ４）。各初期回線候補ｉにおけるシステム帯域利用率Ｗr(i)とシステム電力利用率Ｐr(i)をプロットした例を図２に示す。Ａは、従来法により選択される評価値が最小となる回線候補である。

次の手順２では、Ｎ個の初期回線候補において、初期回線候補ｘと初期回線候補ｙ（ｙ＝１〜Ｎ、ｙ≠ｘ）のそれぞれのシステム帯域利用率とシステム電力利用率について、
Ｗr(x)≧Ｗr(y)かつＰr(x)≧Ｐr(y) …(8)
となる初期回線候補ｘを除外する。これをｘ＝１〜Ｎの初期回線候補に対して実行した結果を回線候補とする。これがＳ５に示す回線候補の絞り込みである。

すなわち、例えば式(7) の基準でＮ個に制限された要求速度を満たす初期回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率維持以上の回線候補を除外する。これにより、図２に示す回線候補Ｂ，Ｃ，Ｄを除く破線で囲まれた回線候補が除外されることになる。すなわち、式(7),(8) に示す条件を満たす回線候補を選択するアルゴリズムにより、回線候補Ｂ，Ｃ，Ｄを絞り込むことができる。

次の手順３では、絞り込んだ回線候補について式(5) に基づいて評価値γ(i) を計算し（Ｓ６）、当該評価値γ(i) が最小の回線を割り当てる（Ｓ７）。なお、式(5) に代えて評価値γ(i) ＝α(i) ＋β(i) としてもよい。ここでは、絞り込んだ回線候補Ｂ，Ｃ，Ｄから回線Ｃが割り当てられる。当該回線Ｃは、回線候補の中で最もシステム帯域とシステム電力をバランス良く利用し、かつシステム帯域とシステム電力の利用量が総合的に最も小さいことが分かる。すなわち、システム帯域とシステム電力の有効利用が可能なことが分かる。

例えば、要求速度1600ｋbps の回線割当を実施した場合、従来法で割り当てられる回線Ａのシステム帯域利用率Ｗr ＝0.028 に対し、本発明で割り当てられる回線Ｃのシステム帯域利用率Ｗr ＝0.025 である。同一条件の他の端末局の回線が次々とシステム上限であるシステム帯域利用率Ｗr ＝１まで割り当てされた場合、収容回線数は（１／Ｗr ) 以下となる。このとき、従来法による回線数は１／0.028 ＝35に対し、本発明方法による回線数は１／0.025 ＝40となる。したがって、本発明により収容回線数が1.14倍となる。

なお、本発明は表１に示す以外の通信方式に用いてもよい。また、通信方式の選択をスペクトラム利用効率の選択に置き換え、任意のスペクトラム利用効率を選択できるとしてもよい。この場合、端末局は通信方式の誤り訂正符号化率が連続的値として選択可能であるとする。

図３は、本発明の回線割当装置の構成例を示す。
図３において、回線割当装置は、制御回線送受信部１、アクセス制御部２、回線割当処理部３、回線管理ＤＢ（データベース）４、端末管理ＤＢ５により構成される。ここで、端末局毎の情報として、(1) 選択可能な通信方式、(2) 要求速度等の各端末毎の情報を把握する必要がある。(1) は予め知り得る端末局固有の情報であるので、端末局ＩＤ情報と関連付けて端末管理ＤＢ５にデータベース化する。一方、(2) は端末局から回線割当装置に送信される回線要求信号に付与される。

回線割当装置は、回線要求信号を制御回線送受信部１から受信すると、アクセス制御部２が端末局ＩＤと要求速度を取り出し、回線割当処理部３に通知する。回線割当処理部部３では、本発明の回線割当方法を用いて、要求速度と回線管理ＤＢ４の未使用帯域・電力と端末管理ＤＢ５の端末情報から、(a) 周波数スロット数、(b) 周波数スロット毎の通信方式からなる回線要素を決定し、端末局ＩＤを持つ端末局に回線要素を返信すると共に、回線管理ＤＢ４の内容をアップデートする。一方で、端末局は通信が終了すると、回線解放信号に端末局ＩＤを付与して制御回線を用いて回線割当装置に送信する。回線割当装置の制御回線送受信部１が回線解放信号を受信すると、アクセス制御部２が端末局ＩＤを取り出し、回線管理ＤＢ４から使用済み帯域・電力の内容を削除する。

１制御回線送受信部
２アクセス制御部
３回線割当処理部
４回線管理ＤＢ
５端末管理ＤＢ

Claims

複数の端末局装置と、当該端末局装置の通信を中継するノード装置と、これらの通信に用いられるマルチキャリア通信回線の割り当てを行う回線割当装置とにより構成される無線通信システムの回線割当装置において、
前記端末局装置からの回線要求に対して、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせである複数の回線候補を導出する手段と、
前記複数の回線候補のシステム帯域利用率およびシステム電力利用率をそれぞれ算出する手段と、
前記複数の回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補を絞り込む手段と、
前記絞り込んだ回線候補の前記システム帯域利用効率と前記システム電力利用率の差の絶対値と２乗和の積または和である評価値を算出し、当該評価値が最小の回線を決定して割り当てる手段と
を備えたことを特徴とする回線割当装置。
請求項１に記載の回線割当装置において、
前記複数の回線候補を導出する手段は、前記要求速度を満たす複数の回線候補の数に上限を設ける構成である
ことを特徴とする回線割当装置。
複数の端末局装置と、当該端末局装置の通信を中継するノード装置と、これらの通信に用いられるマルチキャリア通信回線の割り当てを行う回線割当装置とにより構成される無線通信システムの回線割当方法において、
前記回線割当装置は、
前記端末局装置からの回線要求に対して、要求速度を満たす周波数スロット数と周波数スロット毎の通信方式の組み合わせである複数の回線候補を導出するステップと、
前記複数の回線候補のシステム帯域利用率およびシステム電力利用率をそれぞれ算出するステップと、
前記複数の回線候補のそれぞれについて、ある回線候補自身のシステム帯域利用率以上かつシステム電力利用率以上の回線候補を除外して回線候補を絞り込むステップと、
前記絞り込んだ回線候補の前記システム帯域利用効率と前記システム電力利用率の差の絶対値と２乗和の積または和である評価値を算出し、当該評価値が最小の回線を決定して割り当てるステップと
を有することを特徴とする回線割当方法。
請求項３に記載の回線割当方法において、
前記複数の回線候補を導出するステップは、前記要求速度を満たす複数の回線候補の数に上限を設ける
ことを特徴とする回線割当方法。