JP2014045390A

JP2014045390A - モバイルネットワーク

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Publication number: JP2014045390A
Application number: JP2012187084A
Authority: JP
Inventors: Kiyohide Nakauchi; 清秀中内; Yozo Shoji; 洋三荘司
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP5954783B2

Abstract

【課題】有線および無線アクセス区間の仮想ネットワークの統合制御を行うモバイルネットワークに関する。同じ無線インタフェースや無線システムで提供されるサービスあっても、異なるサービスやアプリケーションに対しては異なる優先度を与えた接続性や継続性が望まれている。
【解決手段】仮想ネットワークを構成できる通信ネットワークと、モバイル仮想ネットワークとを含むネットワークで、通信ネットワークは、単数あるいは複数の無線基地局を収容するノードを含み、上記無線基地局を収容する収容スイッチは、仮想ネットワーク機能を備る。モバイル仮想ネットワークは、無線基地局を中継ノードとして上記ノードと複数のモバイル端末とを接続するネットワークで、無線基地局とモバイル端末間のリンクは、仮想回線で接続されるようにして、上記通信ネットワークとモバイル仮想ネットワークとが連結された仮想ネットワークとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、有線ネットワーク区間と無線アクセス区間の仮想ネットワークの統合制御を行うモバイルネットワークに関する。

本発明は、パケット通信に用いられる通信ネットワークにおける仮想ネットワークを、それに接続された基地局と無線端末の通信にも拡張したモバイルネットワークとみることもできる。

本発明でいう通信ネットワークは、パケット通信に用いるネットワークのことである。一般に、パケット通信は、非同期時分割多重化された通信としてよく知られている。また、本願発明でいう仮想ネットワークは、パケット通信における通信経路を、仮想的に専用通信経路として使えるようにしたり、通信経路の数をより多数のものとして使えるようにしたり、また、通信経路のバンド幅をより拡張したものとして使えるようにしたネットワークのことである。このような仮想ネットワーク技術としては、例えばパケットのヘッダに通常のヘッダとは別に付与したラベルに基づき通信経路を設定するラベルスイッチング技術や、複数のヘッダ領域の内容に基づき通信経路を設定するフロースイッチング技術が知られている。

また、無線基地局と携帯端末との通信においては、空間分割多重化、時分割多重化、周波数分割多重化などの技術を用いた各種の多元接続法が用いられている。

動的に有線ネットワーク区間の構成を制御する技術としては、近年オープンフロー（OpenFlow）技術の導入と実用化が進んでいる。他方、無線アクセス区間についても、基地局の構成を動的に制御する手法としては、ソフトウェア無線などの技術分野で議論されている。

有線ネットワーク区間と無線アクセス区間を連携させて動的にネットワークを構成する方法については、既に非特許文献１に、AMPHIBIA方式の検討と実証がある。AMPHIBIA方式においては、各モバイルユーザが所望する個々の利用サービスにおけるエンド―エンドでの要求品質を考慮してサービス毎に異なる専用ネットワークを用意する。しかし、サービスの優先度、ネットワーク資源の利用状況を考慮して、当該専用ネットワークに割り当てる有線および無線ネットワーク資源を、複数の無線アクセス方式を考慮しつつ動的に制御することはできない。

一方、非特許文献２に記載された、上記フロースイッチング技術の１つであるOpenFlow方式では、複数の基地局が接続された有線ネットワークにおいて共通のデータ転送方法により、端末の基地局間ハンドオーバ時のトラフィック経路を制御することが可能である。しかし、AMPHIBIA方式同様、専用ネットワークに割り当てる無線ネットワーク資源を、複数の無線アクセス方式を考慮しつつ動的に制御することはできない。そもそもOpenFlow方式は本質的に、OpenFlow対応ネットワーク機器とOpenFlow制御装置（OpenFlowコントローラ）との間の制御データの送受信に関わるAPI（Application Program Interface）を定義したものであり、資源制御機能は有していない。

特に、モバイルユーザが所望する利用サービスや利用アプリケーションの種別は多種多様であり、これらのネットワークへの要求品質も様々であるが、該サービスやアプリケーションの提供品質については、一般的にはこれらを提供する無線インタフェースないしは無線システムによって決定されている。従って、同じ無線インタフェースや無線システムで提供されるサービスあっても、異なるサービスやアプリケーションに対しては異なる優先度を与えた接続性や継続性によってサービスを提供することが本来望まれるが、これまで困難であった。本発明では、この課題を解決する手段を提供する。

Kiyohide Nakauchi, Kentaro Ishizu, Homare Murakami, Akihiro Nakao, and Hiroshi Harada, "AMPHIBIA: A Cognitive Virtualization Platform for End-to-End Slicing", Proc. IEEE ICC '11, June, 2011. Nick McKeown、 Tom Anderson、 Hari Balakrishnan、 Guru Parulkar、 Larry Peterson、 Jennifer Rexford、 Scott Shenker、 and Jonathan Turner,"OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks", ACM SIGCOMM Computer Communications Review, Vol. 38、 No. 2, April, 2008.

上記の様に、モバイルユーザが所望する利用サービスや利用アプリケーションの種別は多種多様であり、これらのネットワークへの要求品質も様々である。しかし、前記サービスやアプリケーションの提供品質については、一般的にはこれらを提供する無線インタフェースないしは無線システムによって決定されている。

しかし、同じ無線インタフェースや無線システムで提供されるサービスあっても、異なるサービスやアプリケーションに対しては異なる優先度を与えた接続性や継続性によってサービスを提供することが望まれている。本発明では、この課題を解決する手段を提供するものである。

ただし、ここではサービスを、映像配信や音声通話、ファイルダウンロードといった、サービス提供サーバと端末間の通信、または端末間のアプリケーション通信であって、個々のアプリケーション内において共通のサービス品質要件をもつフローの集合体と定義する。つまり、同じアプリケーションであっても、サービス品質要件や重要度が異なるフローの集合体は、異なるサービスとなる。例えば、VoIP等の音声通話サービスにおいて、特定のユーザの通話や、特定のエリアを発着信ポイントとする通話だけを優先サービスとし、残りの通話を非優先サービスとする形態を想定している。

本発明のモバイルネットワークは、
仮想ネットワークを構成することが可能な仮想化ネットワークと、仮想ネットワークを構成することが可能な仮想化無線ネットワークとを含むネットワークであって、
上記の仮想化ネットワークは、単数あるいは複数の仮想化対応基地局を収容するノードである仮想化対応基地局収容スイッチを含み、上記仮想化対応基地局収容スイッチは、仮想回線単位で動的に利用資源量を変更する機能を備えたものであり、
上記仮想化無線ネットワークは、上記仮想化対応基地局を中継ノードとして上記仮想化対応基地局収容スイッチと上記複数のモバイル端末とを接続するネットワークであり、上記仮想化対応基地局は、仮想回線単位で動的に利用資源量を変更する機能を備えたものであり、
上記仮想化ネットワークと上記仮想化無線ネットワークとが連結されたネットワークにおいて、専用のネットワーク資源が確保され、論理的に独立分離された、単数または複数の仮想ネットワークを構築することが可能なモバイルネットワークにおいて、
（１）あらゆるサービスへのアクセス要求に対応し、初期段階でのサービス提供を行うための、仮想化ネットワークと仮想化無線ネットワーク双方において共通ネットワークインタフェースの提供と共通ネットワーク資源の確保がなされた、共通仮想ネットワークを設けているものであり、
（２）仮想化ネットワークと仮想化無線ネットワークは、共通仮想ネットワーク上で提供が開始された個々のサービスの種別を識別し、その識別結果に基づいて必要な仮想化ネットワークの構成および仮想化無線ネットワークの構成を判断する機能を有する基地局収容スイッチによって接続されているものであり、
（３）共通仮想ネットワーク以外の仮想ネットワークについては、仮想化対応基地局収容スイッチが上記のサービス識別に基づき新規に専用ネットワークを用意し該仮想ネットワークとして提供すべきであるという判断に基づいて、新規に構築された仮想ネットワークであり、
（４）上記の共通仮想ネットワークおよび上記の新規仮想ネットワークに対しては、利用可能なネットワーク資源全体の中から、任意の割合のネットワーク資源を割り当てることが可能であり、
（５）仮想化対応基地局収容スイッチが、上述の新規仮想ネットワークの構築完了に関わる制御情報に基づき、サービスの提供ネットワークを共通仮想ネットワークから新規仮想ネットワークへハンドオーバさせる機能を有するものである、
ことを特徴とするとする。

また、上記仮想化対応基地局と上記モバイル端末間のリンクは、１つのパスとして用いられるか、複数のパスに分割して用いられるか、あるいは、リンクアグリゲーションにより複数のリンクを束ねた単数または複数のパスとして用いられることによって、上記仮想ネットワークへ接続する仮想回線となり、
該仮想回線に割り当てられるネットワーク資源は、仮想化対応基地局収容スイッチが、該仮想回線を提供する各仮想化対応基地局との間で交換する、仮想ネットワークの構築に関わる制御情報に基づいて行うことを特徴とする。

また、（１）上記仮想化対応基地局収容スイッチは、上記モバイルネットワークにおいて、仮想化ネットワーク区間の各仮想化無線ネットワークへのネットワーク資源割当て状況に基づき、仮想化無線ネットワーク区間における各仮想ネットワークへのネットワーク資源割当てを制御するものであり、
（２）該仮想ネットワークを構築後は、上記の両区間を含むモバイルネットワーク全体の品質計測結果に基づいて、仮想化無線ネットワーク区間において各仮想ネットワークへ割り当てるネットワーク資源を動的に制御するものである、
ことを特徴とするものであってもよい。

また、上記基地局収容スイッチは、各端末が接続すべき仮想回線の選択に関わる制御、端末が上記共通仮想ネットワークに接続するための仮想回線から上記新規仮想ネットワークに接続するための仮想回線に接続を切り替えるタイミングの制御、上記の仮想回線切り替えに伴うデータの配信経路の変更に関わる制御等の仮想化対応基地局間協調手段を備えることが望ましい。

また、複数の仮想ネットワークが構築され、端末がそのなかの単数または複数の仮想ネットワークとの間で仮想回線を確立可能な場合において、
上記仮想化対応基地局収容スイッチが、第１の仮想ネットワークで提供中の第１のサービスに対し、該第１のサービスを継続提供するために新規に構築する第２の仮想ネットワークの構築完了タイミングを認識し、そのタイミングと同期させて、該第1のサービスの提供ネットワークを該第1の仮想ネットワークから該第２の仮想ネットワークへハンドオーバさせるものであることを特徴とする。

上記仮想化ネットワークと上記仮想化無線ネットワークとが連結された仮想ネットワークを構築することによって、個々のサービスについて、サービス毎に異なるアクセスもしくは伝送特性を有するネットワークで提供することが可能となり、サービス種別に関わらず等しく発生する輻輳を回避できて、優先すべきサービスの接続性能ないしはサービスの継続性能が改善される。

実施例１の有無線統合ネットワークの全体図を示す図である。仮想ネットワークの新規構築、および仮想ネットワーク間ハンドオーバの手続きを示す図である。仮想化対応基地局（vBS）および仮想化対応基地局収容スイッチ（vBS-SW）の機能構成を説明するための図である。 OpenFlowによる仮想ネットワーク間ハンドオーバの具体例を示す図である。 OpenFlowによる仮想ネットワーク間ハンドオーバの具体例を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

まず、有無線統合ネットワークを、有線ネットワーク区間（エントランスリンク区間、及びコアネットワーク区間）と無線アクセス区間で構成され、上記各区間における資源利用を、ネットワーク内で認識したユーザのサービス要求に基づいて統合的かつ動的に制御することで構築されるネットワークと定義する。

つまり、特許請求の範囲において、モバイルネットワークは有無線統合ネットワークに当たり、有線ネットワーク区間は仮想ネットワークを構成することが可能な仮想化ネットワークに当たり、仮想化無線ネットワークは無線アクセス区間に当たる。

モバイルネットワーク仮想化とは、ネットワーク仮想化技術により資源分離性およびプログラム性という特徴的機能性を上記各区間において実現することで、共通の物理モバイルネットワーク上で論理モバイルネットワークを仮想的に構築することである。この時、モバイルユーザのサービス利用状況をネットワーク内で認識・識別する技術（サービスアウェアネス技術）に基づいて、優先すべき重要なサービスに対して動的にネットワーク資源を確保し、新たな仮想モバイルネットワークを割り当てる。

本実施例の有無線統合ネットワークの全体図を図１に示す。各仮想化対応基地局は、コアネットワークとのゲートウェイとなる仮想化対応基地局収容スイッチ（vBS-SW）に収容される。ここでは、一つの基地局が複数の無線IFを具備して異種無線アクセスに対応しているモデルや、無線アクセス方式が異なる複数の基地局を1つのvBS-SWで収容するモデル、さらにはマクロセルとマイクロセルが混在するヘテロジニアスネットワークまでを含む汎用的なモバイルネットワークモデルを想定している。

モバイルネットワーク仮想化においては、図１に示すように、ユーザに意識させることなく、仮想的に構築した専用のモバイルネットワーク（つまり仮想ネットワーク）で特定のサービスを提供するために、まずあらゆるサービスについて共通となる仮想ネットワーク（つまりコモンスライス）を定義し、更に必要に応じて特定のサービスに特化した新規仮想ネットワーク（つまり新規スライス）を構築した後に、同サービスの提供ネットワークをコモンスライスから新規スライスへハンドオーバ（つまり仮想ネットワーク間ハンドオーバ）させている。

仮想ネットワークの新規構築、および仮想ネットワーク間ハンドオーバの手続きを図２に示す。本稿で想定するモバイルネットワーク仮想化システムの構成要素は、図1にも示されている通り、vBS（仮想化対応基地局）、vBS-SW（仮想化対応基地局収容スイッチ）、仮想ネットワーク（NW）制御サーバ、アプリケーションサーバ、および端末である。

本システムを特徴付ける機能は、vBS（つまり仮想ネットワーク対応の無線基地局）、およびvBS-SWがもつ仮想ネットワーク制御、無線IF（インタフェース）制御に関するものである。

本発明の要点は、vBSにおいて仮想無線インタフェース (vRF-IF) を導入した上で、仮想ネットワーク間ハンドオーバに伴うアプリケーションサーバからvBS内のvRF-IFに至る経路の変更をvBS-SWが一括制御する点にある。

重要な点は、有線ネットワーク側からみれば、仮想ネットワーク間ハンドオーバはvBSにおける仮想無線IFの切替とみなせることである。

WiFiをケーススタディとして、下記の想定環境における具体的な新規仮想ネットワークの構築、および仮想ネットワーク間ハンドオーバの実現手段を述べる。ただし、下記のハンドオーバ手順は、他の無線アクセス方式やサービス要件にも応用可能である。
まず、無線アクセス方式はWiFiに限定し、基地局は複数のWiFiインタフェースをもつものとする。また、優先サービスのサービス要件は最低帯域であるとする。

ここで、新規仮想ネットワークの構築判断をサービス開始後に行う場合（計測結果に基づく新規構築）を考える。共通仮想ネットワークは構築済みであるとする。

・優先サービスの起動及び登録（共通仮想ネットワーク上）
サービス提供者（アプリケーション（APP）サーバ）は、共通仮想ネットワークに対するアクセスGWとなる仮想化対応ノードを介して、共通仮想ネットワークとの接続を確立する。
サービス提供者は、優先サービス情報をvBS-SWに事前登録する。ここで優先サービスとは、サービス内容に基づき、事前に合意が得られていると仮定する。
優先サービス情報は、フロー情報とサービス品質要件から構成される。
フロー情報は、サービス提供者（APPサーバ）を送信元または宛先とするフローを包括するものであり、クライアントサーバ型サービスの場合は [送信元アドレス＝APPサーバのIPアドレス、宛先アドレス＝ANY（任意）、ポート番号＝当該サービス用ポート番号]（APPサーバ->受信者）、あるいは [送信元アドレス＝ANY（任意）、宛先アドレス＝APPサーバのIPアドレス、ポート番号＝当該サービス用ポート番号]（受信者->APPサーバ）という組合せで定義される。
APPサーバが送受信するフローのうち、特定の端末のフローのみを優先させることも可能である。その場合は、上記の「ANY（任意）」の部分を、個々のユーザのIPアドレスや、個々のユーザが接続されるサブネットのネットワークアドレス等に置換すればよい。
一方、サービス品質要件は、必要最低帯域である。（サービスの特性に応じて最大遅延、最大パケットロス率等の要件も考えられる。）
このとき、複数のAPPサーバ、または複数のIPアドレスを利用するサービス提供形態であってもよい。
vBS-SWは、「サービス登録・フィルタ部」において、当該優先サービス情報を保持する。

サービスのvBS-SWへの登録方法としては、上記のようなサーバからvBS-SWにサービス開始時に明示的に登録する方法の他に、vBS-SWがあらかじめ仮想ネットワークとして提供すべきサービスのリストを保持する方法や、サービス提供サーバ以外の第三者がネットワーク利用状況等に基づいて登録する方法、vBS-SW自体がトラフィックパターンやプロトコルパターン、ヘッダやペイロード情報等に基づいてサービスを認識し、自身に登録する方法など、いくつかの方法が考えられる。

・優先サービスの開始（共通仮想ネットワーク上）
サービス提供者は登録した優先サービス情報に基づき、APPサーバ上でサービス提供プログラムを起動させ、共通仮想ネットワーク上においてサービス受信者からのサーバアクセスを可能にする。
このタイミングで、共通仮想ネットワーク上に優先サービスのデータが流れ始める。

・優先サービスの共通仮想ネットワーク上での品質計測（共通仮想ネットワーク上）
共通仮想ネットワーク上において、優先サービスがサービス品質要件を満たしているかを調べるため定期的に（例えば1分毎に）品質計測を行う。
最低帯域を要件とするサービスにおいては、APPサーバ・受信者間でサービス用のデータの送受信が開始された後は、受信者において実際に送受信されるデータ量からフロー単位のスループットを算出するパッシブ計測を行う。APPサーバ・受信者間でPacket Pair等の測定用パケットを用いたアクティブ計測を行うこともできる。計測結果はまずAPPサーバが収集する。
なお、最大遅延を要件とするサービス対しては、APPサーバから各受信者に対するPing (SNMP Requestメッセージ)、または各受信者からサーバに対するPing等を用いて往復遅延を計測できる。最大パケットロス率を要件とするサービスにおいては、一定サイズの計測用バーストデータをAPPサーバおよび特定の受信者間で送受信することで計測できる。
計測結果は、計測データを取得したAPPサーバからvBS-SWに通知される。

・優先仮想ネットワークの必要性判断
vBS-SWは、優先すべき（複数の）フローのうち、すべての、または一定割合上のフローについて、上記計測結果がサービス品質要件を満たさない場合は、当該優先サービス用の優先仮想ネットワークが必要であると判断する。vBS-SW内の仮想ネットワーク構築・管理部が担当する。

・優先仮想ネットワークへの割当リソース算出
vBS-SW内の仮想ネットワーク構築・管理部が算出を行う。ただし、仮想ネットワーク構築・管理部は、vBS-SWと通信可能な外部のサーバ上にあってもよい。
vBS-SWは、サービス品質要件を満たすよう、新規仮想ネットワークに対する割当て資源の初期値を決定する。
具体的には、各ユーザに対する最低帯域（R）を要件とするサービスにおいては、最低帯域と想定ユーザ数の積（にさらに統計多重効果を見込んだパラメータを積算する）により求められる帯域を算出する。
また、コアネットワークにおいて、標準の経路が上記サービス品質要件を満たさない場合は、適切な仮想ネットワークのトポロジー（ネットワーク構成、経路）を決定する。
また、無線アクセスネットワークにおいては、サービス品質要件を満たすよう、使用する無線アクセス方式、それに対応する無線IFの設定を決定する。WiFiの場合は具体的には、ハンドオーバ先の無線IFにおけるチャネルの設定、無線IF資源のうち、当該仮想ネットワークに割り当てる資源の割合を行う。
ハンドオーバ先の仮想無線IFを端末に認識させるために、仮想無線IFと1対1に対応する優先仮想ネットワークのID（VN-ID）を決定する。WiFiの場合はEEIDやESSIDがVN-IDとして利用可能である。

仮想化無線ネットワークにおいて各仮想ネットワークへ割り当てるリソースの量に関しては、仮想化ネットワークにおける各仮想ネットワークへのリソース配分比と同じ比率としたり、仮想化NWにおける各仮想ネットワークへの割当てリソースの絶対量（例えばネットワーク帯域）と同じリソースを割り当てる等、様々な割当てポリシーを採用することが可能である。

・優先仮想ネットワークの構成及び割当リソースの通知
vBS-SWは、上記の優先仮想ネットワークの構成及び割当てリソース、優先サービス情報を、各vBSに通知。
同時に、コアネットワーク内の仮想ネットワーク制御サーバ、または仮想化対応有線ノードに対しても同様の情報を通知。

・コアネットワークにおける仮想ネットワーク構築。
コアネットワークにおいては、優先サービスに関する上記の通知に基づいて、仮想化対応有線ノードの経路表および優先サービスのフローに対するトラフィック制御パラメータを設定。

・無線アクセスネットワークにおける仮想ネットワーク構築。
無線アクセスネットワークにおいては、優先サービスに関する上記の通知に基づいて、vBS-SWの経路表および優先サービスのフローに対するトラフィック制御パラメータを設定。

・基地局の無線IFの設定
無線アクセスネットワークにおいては、優先サービスに関する上記の通知に基づいて、vBSの無線IFの設定を行う。
具体的には、利用する周波数、利用する基地局資源の割合等を設定する。

・優先仮想ネットワークにおける初期的品質計測（オプション）
前記「共通仮想ネットワークにおける優先サービスの品質計測」と同様。
ただし、この時点ではまだAPPサーバおよび受信者は共通仮想ネットワークに接続されているため、APPサーバ・受信者間ではなく、仮想化対応有線ノード・vBS間で計測を行う。

・割当リソースの過不足チェック（オプション）
一定量のリソースを加算後、前記「優先仮想ネットワークの構成及び割当てリソースの通知」以降と同様の処理を行う。過不足が解消されるまで定期的に繰り返し実行することも可能である。

・仮想ネットワーク間ハンドオーバ
端末が、共通仮想ネットワークに相当するvBSの無線IFから、優先仮想ネットワークに相当するvBSの無線IFに接続を切り替わるよう、vBSの無線IFの設定を変更。
具体的には、端末に対してde-auth等により強制的に接続を切断するとともに、当該無線IFに対して当該端末からアクセス不可となるようアクセス制御を実施。
同時に切替先の無線IFに対しては、当該端末からのアクセスが可能となるようアクセス制御を実施。
端末は、複数の無線IFを具備している場合は、各無線IFでの接続を順に、または同時に試していく。
優先サービス再開。
前記「優先サービスの開始」と同様の処理であり、新規仮想ネットワーク上で端末からのサーバアクセスを受け付け可能な状態である。

・優先仮想ネットワークにおける優先サービスの品質計測
前記「優先仮想ネットワークにおける初期的品質計測」以降と同様の処理を行う。

サービスの終了時には、新規仮想NW構築と同様の手順で、仮想NWを構成する各ノードに対して使用しているネットワークリソースの解放を指示することで、対応する仮想NWを消去する。

なお、上述したサービスの定義によれば、同じサーバから送信されるトラフィックにおいても、個々のフローについては重要度毎に複数の仮想ネットワークに分かれて送信されることもありえる。この場合、サーバに対してフロー毎の仮想NWの切り替えを意識させないようにするために、サーバを仮想化ネットワークに収容するゲートウェイ（仮想化ネットワークを構成し、仮想ネットワーク機能をそなえたノードの一種）が仮想化ネットワークの切り替えポイントとなる。サーバとゲートウェイとの間の区間においては、仮想化ネットワークと同様の方法で仮想回線を設定する。

また、コアネットワークにvBS-SWが複数接続されたネットワーク形態も考えられる。その場合、ネットワーク構成やサーバへのアクセスパターン、各vBS-SWの負荷状況等の情報を用いて、マスターとなるvBS-SWを決定し、全vBS-SW間でこのマスターvBS-SWの情報を共有することでvBS-SW間での同期を行う。

仮想化対応基地局（vBS）の機能と仮想無線IF（仮想無線データ送受信回路）の実現方法を、図３を参照して説明する。

図３のvBS-SWの各セクションは、次のような機能を持つものである。
仮想NW構築・管理部：仮想NWに対する各区間におけるNW資源割当て、NW構成（トポロジー）を決定。
コアNW上の仮想NW制御サーバに上記情報を通知。
切替器制御部：vBS-SWおよびvBSにおけるプログラマブル切替器の切替設定（対応付け）を集中制御。
vBS-SWまたはvBS内に構築される仮想無線IF（仮想基地局）と各有線IFとの接続を管理。
無線IF制御部：vBSの各無線IFの設定を集中管理。
仮想NW間H/O制御機能：各端末に対して、接続に適切な無線IFを決定し、端末IF切替を指示。
サービス登録・フィルタ機能：サービス提供者（アプリケーションサーバ）からサービス情報を取得。当該サービスを優先すべきかどうかを判断。
プログラマブル切替器（下記参照）

また、図４のvBSの各セクションは、次のような機能を持つものである。
無線IF（送受信部）：無線端末との間で、データおよび制御情報を含む無線信号を送受信。
仮想無線IF（仮想無線データ送受信回路）：無線データ送受信回路（無線IF）とは独立に、無線データ送受信回路を論理的に分割したもの、もしくはそれを複数まとめたもの。
有線IF（送受信部）：vBS-SWとの間でデータおよび制御情報を含む信号を送受信。
プログラマブル切替器：有線IFから受信された各データフレームに対し、送信に用いる無線IFをフレーム単位で切替。
無線IFから受信された各データフレームに対し、送信に用いる有線IFまたは無線IFをフレーム単位で切替。
（切替器の中に仮想無線IFを構築）
優先サービスのフローだけを抽出することも可能。
無線IF管理部：vBS-SWからの指示に基づき、各無線IFの設定情報を管理し、無線IFの設定を行う。

・仮想無線IF（仮想無線データ送受信回路）の定義と実現方法
無線IF（無線データ送受信回路）を時間軸/周波数軸/空間軸で分割・抽象化された無線資源へのアクセスを可能とする物理的な無線IF（≒物理ＡＰ/基地局）と定義する。
仮想無線IF（仮想無線データ送受信回路）とは、複数の物理無線IFがモバイルユーザに提供可能な、無線資源を論理分割、または論理統合した、無線IFの構成にとらわれない独立な論理無線IF（≒仮想AP/基地局）と定義する。
仮想無線IFは仮想NWと1対1に対応する。
仮想無線IFユーザには物理RF-IFの存在は隠蔽され、アクセス可能な特定の仮想RF-IFのみ（共通仮想NW用の仮想RF-IFを含む）が存在するように見える。
プログラマブル切替器により、仮想無線IFと有線IFとの間で、別途vSB-SW （OpenFlowコントローラ機能内蔵）から指定された経路制御に基づき、データフレームがスイッチングされる。
無線IFの論理分割は、時間軸/周波数軸/空間軸での分割により実現される。
無線IFの論理統合は、リンクアグリゲーションやチャネルボンディング、LTEシステムにおける基地局間協調伝送技術（CoMP）等により実現される。

・仮想化対応基地局（vBS）：
有線リンク（エントランスリンク）により vBS-SWと接続される。
プログラマブル切替器により、仮想無線IFと有線IFとの間で、別途vSB-SW （OpenFlowコントローラ機能内蔵）から指定された経路制御に基づき、データフレームがスイッチングされる。
無線IF管理部は、vBS-SWの無線IF制御部からの指示を受けて、物理・仮想無線IFの設定を行う機能である。
また、無線IF管理部は、同じくvBS-SWの仮想NW間ハンドオーバ制御部の指示を受けて、端末が仮想無線IFの切り替え（仮想NW間ハンドオーバ）ができるよう、MACアドレスに基づくアクセス制御等の設定を行う。
計測部をもち、無線IFおよび有線IFの使用状況（送受信データ量等）を計測することができる。

なお、上記のvBS構成において、仮想化対応基地局の無線IFから入出力される信号（データ）が仮想化対応基地局収容スイッチに転送される手段は問わない。すなわち、無線信号としての転送（L1伝送）、MACフレームとしての転送（L2伝送）、基地局でIPを一旦終端してL3で中継する転送（L3伝送）、さらには複数の無線IFを使ったマルチパス伝送、マルチパス伝送とネットワークコーディング技術を組み合わせた高信頼伝送等の中のどれであってもよいものとする。

仮想無線IFに関しては、仮想化対応無線基地局と同様の構成を端末にも導入した形態も可能である。その場合、端末における仮想無線IFは、仮想化対応基地局に構築された仮想無線IFと論理的に接続される。この仮想無線IF間の仮想回線を構築するために、実際にはvBS-SWからの指示に基づいて端末および基地局の、利用可能な無線IF間でリンクが確立される。

・仮想化対応基地局収容スイッチ（vBS-SW）：
モバイルNW上の仮想NW全体を管理する重要なコントローラ機能を有している。
仮想NW間ハンドオーバだけでなく、仮想NWの有線NW区間と無線NW区間の相互接続を担保する役割ももつ。
収容する基地局に接続されているユーザをすべてリストとして保持している。
また、特徴的機能は以下の4つである。
１．サービス登録・識別、サービスフィルタリング
２．有線区間の仮想NW制御
３．無線区間の仮想NW制御（vBS仮想IF制御）
４．仮想NW間ハンドオーバ制御

次に、仮想NW間ハンドオーバ実現方法（無線アクセス部分）について説明する。
端末に対して仮想NW間ハンドオーバ手段を提供する方法については、いくつかの実現手段が考えられる。
まず、vBS-SWがハンドオーバ先のNWに関する情報（NW-ID等）を明示的に端末に通知。
次に、vBSの物理無線IFにおけるアクセス制御設定を動的に変更し（ハンドオーバ元の物理無線IFへの接続拒否、ハンドオーバ先の物理無線IFへの接続許可）、すでに確立されている接続を強制切断することをトリガとし、端末の基地局自動検索・接続機能を利用することで、ハンドオーバ先の物理無線IFへの接続を誘導する。

次に、図４および図５を用いて、仮想NW間ハンドオーバ実現方法（OpenFlowの場合）について説明する。
プログラマブル切替器を実現する一つの方法としてOpenFlowを利用したものである。この場合、vBS-SWおよび各vBSがOpenFlowスイッチ（OF-SW）として動作する。また、OpenFlowコントローラ機能はvBS-SWがもち、収容されるすべての基地局が集中管理される。
図４に、プログラマブル切替器としてOpenFlowスイッチを用いた場合の、vBS-SWおよび各vBS間の接続例を示す。

次に、図５を用いて、仮想NW間ハンドオーバ実現方法（OpenFlowの場合）、特に、論理分割された仮想無線IF間のハンドオーバについて説明する。
仮想NW間ハンドオーバとは、仮想無線IFの切替のことである。基地局間ハンドオーバ、基地局内ハンドオーバの両モデルに対応し、ハンドオーバに伴う仮想無線IF間のトラフィック経路変更をOpenFlowで制御する。

図５に、OpenFlowによる仮想ネットワーク間ハンドオーバの具体例を示す。この例では、特定のサービスに対応する仮想無線IFが、vBS\#1のvRF-IF\#11から、vBS\#2のvRF-FI\#21に切り替わっている。この時、vBS-SWがもつフローテーブルが更新され、当該トラフィックがvBS\#1からvBS\#2経由に切り替わる。一方、vBS\#1、vBS\#2においても同様にフローテーブルが更新され、ハンドオーバ先のvBS\#2では、新たにフローID 1のエントリが追加される。vBSの設定変更に伴い、当該サービスの受信端末が接続先基地局をvBS\#1からvBS\#2に切り替えることで、仮想ネットワーク間ハンドオーバが完了する。

なお、物理的な無線IFをまたいで仮想NW間ハンドオーバを行う場合、ハンドオーバ元の仮想NWに接続される仮想無線IFを、ハンドオーバ先の仮想NWに接続される仮想無線IFを提供する物理無線IFの上にも構築し、仮想回線を切り替える前に、ハンドオーバ元の仮想NWのトラフィックを、それが経由するvBS-SWで複製し、上記2つの仮想無線IFに同時に転送することにより、仮想無線IF切り替え時にデータロスが発生しないシームレスハンドオーバが可能となる。

上記のハンドオーバについては、共通の通信ネットワーク上に複数の仮想ネットワークが構築されているネットワーク構成において、端末がその中の２つ以上の仮想ネットワークへのアクセス権をもつ場合のハンドオーバ手段として、汎用性があり、上記のような仮想ネットワークに仮想化無線ネットワークを接続したネットワークに限定すべき理由はない。
また、ここでは一つのサービスを一つの仮想ネットワークで提供することを想定しているが、端末が提供をうけるサービスを切り替えるタイミングに合わせて仮想ネットワークを切り替えるといった用途にも応用可能である。

Claims

仮想ネットワークを構成することが可能な仮想化ネットワークと、仮想ネットワークを構成することが可能な仮想化無線ネットワークとを含むネットワークであって、
上記の仮想化ネットワークは、単数あるいは複数の仮想化対応基地局を収容するノードである仮想化対応基地局収容スイッチを含み、上記仮想化対応基地局収容スイッチは、仮想回線単位で動的に利用資源量を変更する機能を備えたものであり、
上記仮想化無線ネットワークは、上記仮想化対応基地局を中継ノードとして上記仮想化対応基地局収容スイッチと上記複数のモバイル端末とを接続するネットワークであり、上記仮想化対応基地局は、仮想回線単位で動的に利用資源量を変更する機能を備えたものであり、
上記仮想化ネットワークと上記仮想化無線ネットワークとが連結されたネットワークにおいて、専用のネットワーク資源が確保され、論理的に独立分離された、単数または複数の仮想ネットワークを構築することが可能なモバイルネットワークにおいて、
（１）あらゆるサービスへのアクセス要求に対応し、初期段階でのサービス提供を行うための、仮想化ネットワークと仮想化無線ネットワーク双方において共通ネットワークインタフェースの提供と共通ネットワーク資源の確保がなされた、共通仮想ネットワークを設けているものであり、
（２）仮想化ネットワークと仮想化無線ネットワークは、共通仮想ネットワーク上で提供が開始された個々のサービスの種別を識別し、その識別結果に基づいて必要な仮想化ネットワークの構成および仮想化無線ネットワークの構成を判断する機能を有する基地局収容スイッチによって接続されているものであり、
（３）共通仮想ネットワーク以外の仮想ネットワークについては、仮想化対応基地局収容スイッチが上記のサービス識別に基づき新規に専用ネットワークを用意し該仮想ネットワークとして提供すべきであるという判断に基づいて、新規に構築された仮想ネットワークであり、
（４）上記の共通仮想ネットワークおよび上記の新規仮想ネットワークに対しては、利用可能なネットワーク資源全体の中から、任意の割合のネットワーク資源を割り当てることが可能であり、
（５）仮想化対応基地局収容スイッチが、上述の新規仮想ネットワークの構築完了に関わる制御情報に基づき、サービスの提供ネットワークを共通仮想ネットワークから新規仮想ネットワークへハンドオーバーさせる機能を有するものである、
ことを特徴とするモバイルネットワーク。
上記仮想化対応基地局と上記モバイル端末間のリンクは、１つのパスとして用いられるか、複数のパスに分割して用いられるか、あるいは、リンクアグリゲーションにより複数のリンクを束ねた単数または複数のパスとして用いられることによって、上記仮想ネットワークへ接続する仮想回線となり、
該仮想回線に割り当てられるネットワーク資源は、仮想化対応基地局収容スイッチが、該仮想回線を提供する各仮想化対応基地局との間で交換する、仮想ネットワークの構築に関わる制御情報に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載のモバイルネットワーク。
（１）上記仮想化対応基地局収容スイッチは、上記モバイルネットワークにおいて、仮想化ネットワーク区間の各仮想化無線ネットワークへのネットワーク資源割当て状況に基づき、仮想化無線ネットワーク区間における各仮想ネットワークへのネットワーク資源割当てを制御するものであり、
（２）該仮想ネットワークを構築後は、上記の両区間を含むモバイルネットワーク全体の品質計測結果に基づいて、仮想化無線ネットワーク区間において各仮想ネットワークへ割り当てるネットワーク資源を動的に制御するものである、
ことを特徴とする請求項１に記載のモバイルネットワーク。
上記基地局収容スイッチは、各端末が接続すべき仮想回線の選択に関わる制御、端末が上記共通仮想ネットワークに接続するための仮想回線から上記新規仮想ネットワークに接続するための仮想回線に接続を切り替えるタイミングの制御、上記の仮想回線切り替えに伴うデータの配信経路の変更に関わる制御等の仮想化対応基地局間協調手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のモバイルネットワーク。
複数の仮想ネットワークが構築され、端末がそのなかの単数または複数の仮想ネットワークとの間で仮想回線を確立可能な場合において、
上記仮想化対応基地局収容スイッチが、第１の仮想ネットワークで提供中の第１のサービスに対し，該第１のサービスを継続提供するために新規に構築する第２の仮想ネットワークの構築完了タイミングを認識し、そのタイミングと同期させて、該第1のサービスの提供ネットワークを該第1の仮想ネットワークから該第２の仮想ネットワークへハンドオーバーさせるものであることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載のモバイルネットワーク。