JP2014216873A

JP2014216873A - パケット解析機能を有する基地局および無線通信システム

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Publication number: JP2014216873A
Application number: JP2013093212A
Authority: JP
Inventors: 辰徳大原; Tatsunori Ohara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】コネクション数やオーバーヘッド、シーケンスを増加させずに、DPIに基づく動的QoSポリシー変更を実現する。また、基地局が実際に割り当て可能な無線リソースに応じて、帯域制御、遅延保障などのQoS制御を実施することで、基地局の収容効率を向上させる。
【解決手段】基地局に、コアネットワーク側と送受信するパケットを解析するパケット解析部と、パケットのアプリケーション情報とQoSのランクを示すQoSクラス情報とQoSを制御するためのパラメータとを対応づけたテーブルを有し、基地局の制御部が、パケット解析部で抽出したパケットのアプリケーション情報に基づいてテーブルを参照してQoSパラメータを抽出するとともに、基地局における無線リソース割り当て状況に基づいて、基地局と端末間のQoSパラメータを定義してスケジューリング情報を生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線通信技術に関し、セルラ型の無線通信システムにおいて使用される基地局および無線通信システムに関する。

インターネット上では、ボイスオーバーインターネットプロトコル(VoIP:Voice over Internet Protocol)やストリーミングに代表されるリアルタイムアプリケーション、および、ファイル転送プロトコル(FTP:File Transfer Protocol)やWebに代表される非リアルタイムアプリケーションなど、様々な性質を持ったアプリケーションが利用されている。モバイルデータ通信では、これらのアプリケーションに対応するべく複数のクオリティ・オブ・サービス(QoS:Quality of Service)ポリシーを定義する。それぞれのQoSポリシーは、パラメータによってアプリケーションに必要な帯域、遅延量、送信周期等を設定することで定義し、基地局が、設定されたパラメータに応じて無線リソースのスケジューリングを実施することでQoSを実現している。

QoSポリシーは、基地局と端末間で定義されるコネクションと結びついており、端末と基地局間でセッション確立時、またはセッション変更時に定義される。複数のアプリケーションを使用する端末は複数のコネクションを設定し、コネクション毎にQoSポリシーを定義することで、アプリケーション毎に各コネクションを利用してそれぞれのアプリケーションに応じたQoS制御に基づきデータ送受信を行う。

端末と基地局間のセッション確立時、またはセッション変更時のQoSポリシー定義手順についてWiMAXの場合を例にとって説明する。
WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access 規格名IEEE802.16e）の場合は、コアネットワーク、基地局、端末間にてコネクション追加の手順であるDSA(Dynamic Service Flow Addition)手順、またはコネクション変更手順であるDSC(Dynamic Service Flow Change)手順を行うことで、コアネットワーク側からのQoS要求を各コネクションと結びづける。

まず、コネクション変更時の手順であるDSC手順について具体的に説明する。
コアネットワーク側より基地局にポリシー変更要求が到着すると、基地局はDSC Requestを端末に送信することにより、最低保証帯域、保証遅延量、ポーリング周期、パケット振り分けルールなどのパラメータを含むコネクション変更通知を端末に伝える。端末はDSC Responseを基地局に送信することで、各パラメータに対しての対応可否を通知しネゴシエーションを行う。基地局はネゴシエーション結果をコアネットワーク側に送信し、ネットワーク側からの肯定応答(ACK:ACKnowledgement)を受信すると、端末にDSA ACKにてポリシー変更の完了通知を行うことでQoSポリシー変更が完了する。

また、QoSポリシーを適用したコネクション追加時はDSA(Dynamic Service Flow Addition)手順を行う。
DSA(Dynamic Service Flow Addition)手順は、例えば既にベストエフォートのコネクションが基地局、端末間にて定義されている場合に、ベストエフォートとは別のコネクションを追加するときなどに行う。DSA手順はDSCと同様のため詳細な説明は省略する。パケットの振り分けもまた、QoSポリシーに含まれ、上記DSA、DSCセットアップ時に定義されるパケット振り分けルールに従い、宛先IPアドレス、送信元IPアドレス、宛先ポート番号、送信元ポート番号のいずれかに従い、基地局、端末のコンバージェンスサブレイヤ(CS:Convergence Sublayer)ブロックにてパケットの振り分けが実施される。

図５に無線プロトコルの一例としてWiMAXの無線フレームを示す。
DL Frame(ダウンリンクフレーム)はPreamble(プリアンブル)５０, FCH(フレーム制御ヘッダ: Frame control Header)５１,DL-MAP(ダウンリンクマップ)５２,UL-MAP(アップリンクマップ)５３,DL-Data(ダウンリンクデータ)領域５４にて構成される。
時間軸の先頭にプリアンブル５０と呼ばれる基地局に接続される全ての端末にて同期を取るための信号を送信する。このプリアンブルの送信タイミングはGPS(Global Positioning System)により同期を得るため、全基地局にて同期が取られる。この同期が外れると、基地局間のハンドオーバー時に同期が取れない、時間で周波数領域を変更するフレーム構成時に干渉が発生するという問題が生じる。プリアンブル５０に続きフレームの制御情報を含むFCH５１、DL領域のスケジュール情報を格納したDL-MAP５２、UL領域のスケジュール情報を含むUL-MAP５３が送信される。DL-MAP５２のマッピング情報に従いDL-Data領域にブロードキャストまたは各端末へのトラフィックが含まれる。

UL Frame(アップリンクフレーム)はRanging(レンジング)領域５５,CQI(Channel Quality Indication)領域５６,HARQ(Hybrid Automatic repeat request)応答領域５７,UL-Data(アップリンクデータ)領域５８にて構成される。Ranging領域５５には端末と基地局間にて電力、タイミング、周波数調整を行うためのRanging信号が端末より送信される。CQI領域５６には、基地局の割り当てに従い、端末からのCQI信号が送信される。HARQ応答領域５７には、DL-DATA領域５４にて送信された端末へのユニキャストデータに対して、端末でCRC(Cyclic Redundancy Check)確認を実施した結果の情報が送信される。UL-DATA領域５８には、UL-MAP５３で基地局から割り当てられた帯域に従い、端末が基地局へ送信するユニキャストデータが含まれる。

端末からの帯域要求手順について説明する。端末からの帯域要求手順は、QoSポリシーがベストエフォート時はリアルタイム性の確約されないコンテンション方式で行われる。コンテンション方式はアップリンクのRanging領域５５で、プロトコル（ここではWiMAX）で決められているRanging code群からランダムに選んだRanging codeを端末が送信する。Ranging codeはRanging code indexと検出フレームを情報として含み、Ranging codeを検出した基地局は、検出したRanging code indexと検出フレームに基づいて、帯域要求用のリソースを割り当てる。端末は、割り当てられた帯域要求用の帯域を使って、端末からのパケット送信に必要な帯域量を基地局に通知する。基地局はこの通知に基づき端末に必要な帯域を割り当てることができる。

前述のように、帯域要求手順において端末は、Ranging code群からランダムに選んだRanging codeを基地局に送信するが、この時、たまたま同一のRanging codeが複数の端末より同じフレームにて送信されることがある。同一のRanging codeが複数の端末より同じフレームにて送信されると、それら複数の端末に同一の帯域要求用のリソースが割り当てられてしまいそれら複数の端末からのパケット送信に必要な帯域量の通知が、電力衝突を起こすことによりそれら複数の端末からの帯域要求を基地局が受信できない。その結果、端末は帯域が割り当てられるまで、ランダムに送信タイミングを選び、帯域要求手順の一連のシーケンスを繰り返す。HTTPやFTP等の非リアルタイムアプリケーションは端末からのパケット送信タイミングが不確定なため、周期的に各端末に帯域要求用のリソースを割り当てるポーリング方式、帯域要求無しに定期的に帯域割り当てを行う固定割り当て方式に対して、コンテンション方式の方が無線リソースの効率化の点で優位である。しかし、コンテンション方式には、前述のように複数の端末が同一のRanging codeを同じフレームで送信した場合に電力衝突が発生し、端末へのリソース割り当て遅延が発生する。そのため、リアルタイムアプリケーションのためのQoSポリシーを適用したコネクションではポーリング方式または固定割り当て方式が採用される。

QoSポリシーに基づくリソース割り当て制御は、主に、事前に端末とQoSポリシールールが結びつけられ、そのQoSポリシールールに基づく静的制御が主である。しかし、近年はスマートフォンの普及によるアプリケーションの多様化や、ポート番号が固定とならないP2P通信等、ネットワークの管理が複雑化している。そのためコアネットワーク側にパケットの内部解析を行うDPI（Deep packet inspection）機器を適用して、その結果に応じてQoSポリシーを定義する、動的ポリシー変更技術が提案されている。例えば特表2010-512694号公報ではゲートウェイにDPI機能を有し、パケット検査を実施することで、ストリーミング状態に合わせてリアルタイムにQoSの格上げ、格下げを行う技術が提案されている。

特表2010-512694号公報

背景技術で説明したコアネットワークによる動的ポリシー管理は、事前に設定されたQoSコネクションそのものを動的に変更することで、無線制御を実施するものであり、コネクション変更時にはコネクションの追加、変更シーケンスがコアネットワーク、基地局、端末間にて実施されるため、コネクション制御のための呼処理トラフィックが頻発する。また、基地局と一つの端末間に複数コネクションが生成されることで、基地局が管理するコネクション数が増加し、コネクション数増加によるリソース分割数増加によってオーバーヘッドが増加する。また、DPI機器はコアネットワーク側にあり、基地局のスケジューリング情報を把握することができないため、無線リソースの混雑状況と関係なくQoSを定義する。コアネットワーク側で定義されたQoSの要求内容が、基地局が割り当て可能な無線リソースより大きい場合には、基地局による輻輳制御によりコアネットワーク側で定義されたQoSは拒否されてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、コネクション数やオーバーヘッド、シーケンスを増加させずに、DPIに基づく動的QoSポリシー変更を実現することを目的とする。また、基地局が実際に割り当て可能な無線リソースに応じて、帯域制御、遅延保障などのQoS制御を実施することで、基地局の収容効率を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、一例として、基地局にコアネットワーク側と送受信するパケットを解析するパケット解析部と、パケットのアプリケーション情報とQoSのランクを示すQoSクラス情報とQoSを制御するためのパラメータとを対応づけたテーブルを有し、基地局の制御部は、パケット解析部で抽出したパケットのアプリケーション情報に基づいてテーブルを参照してQoSパラメータを抽出するとともに、基地局における現在の無線リソース割り当て状況に基づいて、基地局と端末間のQoSパラメータを定義してスケジューリング情報を生成するようにしたものである。

また、パケット解析部において、コアネットワーク側から各端末宛てに到着するパケットのトラフィック特性を解析し、トラフィック特性の解析結果に基づいて、各端末のCQI割り当て周期を制御するようにしたものである。

また、複数の端末と無線信号を送受信する複数の基地局と、それら複数の基地局をネットワークに接続するゲートウェイとを有する無線通信システムであって、複数の基地局は、ゲートウェイとの間で送受信するパケットの解析を行うパケット解析部を有する第１の基地局と、パケット解析部を備えない第２の基地局とからなり、前記第１の基地局は、ゲートウェイと接続開始時に、ゲートウェイにパケット解析部を有することを通知し、ゲートウェイは、ゲートウェイ内部のメモリに通知を送信してきた基地局を前記第１の基地局として登録しておき、ゲートウェイが有するパケット解析部においては、前記第２の基地局から送信されてきたパケットを解析の対象とするようにしたものである。

また、第１の基地局は、基地局が有するパケット解析部の解析結果に基づいて、ゲートウェイと基地局間に設定されたコネクションに対応するQoSの設定を変更すると、ゲートウェイに対して、該当するコネクションについて、コネクションの変更要求を行うことで、基地局主導でコネクションの変更およびQoSの変更手続きを実施するようにしたものである。

本発明によれば、コネクション数やオーバーヘッド、シーケンス増加させずにDPIに基づく動的なQoSポリシー制御を実現することができる。また、基地局が実際に割り当て可能な無線リソースに応じて、帯域制御、遅延保障などのQoS制御を実施することで、基地局の収容効率を上げることができる。

本発明の一実施例における無線通信システムの構成を説明する図である。本発明の一実施例におけるベースバンドユニットの構成を説明する図である。本発明の一実施例におけるベースバンドユニット内のCPUの機能ブロック例を説明する図である。コンバージェンスサブレイヤ部におけるアプリケーション解析処理を説明するフローチャートである。無線プロトコルの一例として、WiMAX（IEEE802.16e）の無線フレームの構成を説明する図である。スケジューラ制御部が参照するアプリケーションとアプリケーションに割り当てられたポリシー情報の関連テーブルのイメージ図である。本発明の一実施例におけるコネクション生成時のシーケンスを説明する図である。本発明の一実施例におけるASN-GWと基地局の初期接続時のシーケンスを説明する図である。基地局主導でASN-GWと基地局間のコネクション変更を行う場合のシーケンスを説明する図である。複数の変調方式とSINRおよび伝送効率の関係を説明する図である。本発明の一実施例におけるトラフィックとCQI割り当て頻度の関係を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、実質同一部位には、同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。また、無線通信システムとして、WiMAXのシステムをベースにして説明するが、無線通信システムは、これに限らない。

図１は、本発明の一実施例における移動体無線通信システムの構成例を示す図である。
無線通信システムは集合型基地局制御部（ベースバンドユニットBBU:BaseBandUnit)１０と無線部１２，１３で構成される基地局と、その基地局の電波範囲で形成されるセルの中で基地局と無線通信を行う端末１４，１５，１６，１７と、基地局とインターネット網との有線通信を行うコアネットワーク装置としてアクセスサービスネットワークゲートウェイ（ASN-GW:Access Service Network Gateway)１１、ホームエージェント(HA:Home Agent)１８、トリプルエー(AAA:Authentication Authorization Accounting)１９によって無線ネットワーク網が形成される。インターネット網と端末を無線ネットワーク網を経由して接続することで通信を実現する。具体的にはインターネット網から端末に送信されるパケットはHA１８にてIPカプセル化されIP in IPトンネルで該当ASN-GW１１に送信される。ASN-GW１１は前記IPカプセル化を外し、GREカプセル化したパケットをBBU１０に送信する。BBU１０は、GREカプセル化を外し、端末に事前ネゴシエーションにより定義した該当コネクション宛てに、ASN-GW１１から得た情報を無線プロトコルに応じたパケット処理、およびベースバンド処理を行い、無線部１２，１３に転送する。無線部１２，１３は前記ベースバンド信号を高周波信号に変換し、無線信号により端末１４，１５，１６，１７に送信する。
端末はその無線信号を受信し、信号処理を行なって情報に変換することで、インターネット網との下り通信を実現する。一方、端末１４〜１７が生成した情報は、端末１４〜１７から無線信号に変換、送信され、無線部１２，１３が受信する。無線部１２，１３が受信した信号はBBU１０に送信され、GREカプセル化を行い、ASN-GW１１に送られる。ASN-GW１１はGREカプセル化を外し、IPカプセル化を行いHA１８に送信する。HA１８はIPカプセル化を外し、該当宛先にパケットを送信することで端末１４〜１７とインターネット網との上り通信を実現する。前記通信は事前にAAA１９との通信を行うことにより認証された端末だけが、無線ネットワークで通信を行うことができる。

図２は、本発明の一実施例におけるベースバンドユニットの構成例を示す図である。
BBU1０はASN-GW１１とのネットワークインターフェース２１と、無線部１２，１３の管理を行うスケジューリング部とDPI機能部を備えたCPU２２と、メモリ２３と、ベースバンドプロセッサ２４と、無線部１２，１３とのネットワークインターフェース２５、２６とを備えている。ネットワークインターフェース２１に到達したパケットは、CPU２２にてパケットのヘッダ等に含まれる宛先を確認し、無線プロトコルに応じたパケット処理を行い、例えば、無線プロトコルとしてWiMAXを用いる場合には、WiMAXで定義されているMACレイヤのデータ形式であるPDU（プロトコルデータユニット）に変換する。CPU２２では、パケットに応じてスケジューリング情報を生成して、PDUとスケジューリング情報をベースバンドプロセッサ２４に転送する。

次にアプリケーションに応じたスケジューリング方法について、図３、図４、図６をもとに説明する。
図３は、本発明の一実施例におけるベースバンドユニット内のCPUの機能ブロックを説明する図である。
図６は、スケジューラが保持するアプリケーションとアプリケーションに割り当てられたポリシー情報の関連テーブルのイメージ図である。

CS部３０はDPI機能を備え、パケットのアプリケーション解析とパケットのGRE-コネクション変換処理を行うことで、コアネットワークと無線コネクションの変換を実施する。変換後のパケットはデータ制御部３１を経由してコアネットワーク側に送信する。データ制御部３１はコアネットワーク間、無線ネットワーク間の制御メッセージの解釈、生成を行う呼処理機能を備えるとともに、無線プロトコルのMACレイヤに該当するパッキング、フラグメント、MACヘッダの生成を含むパケット処理を実施する。端末管理部３２はデータ制御部３１の呼処理結果を受信し、収容される端末の維持管理を行う。適応変調制御部３３は、端末から報告される搬送波レベル対干渉・雑音比（CINR:Carrier to Interference and Noise Ratio）や受信信号強度（RSSI:Received Signal Strength Indication/Indicator）等の無線環境情報とパケットエラーレートを元に、端末に最適な変調方式、符号化率、MIMO（multiple-input and multiple-output）方式を選択し、スケジューラ制御部３４へ選択した方式、パラメータに基づくリソース割り当ての指示を行う。スケジューラ制御部３４はデータ制御部３１から端末の送信要求量、帯域要求量を受信し、端末管理部３２から接続端末の状態情報を入手し、適応変調制御部３３から端末の変調方式、符号化方式、MIMO方式の指示を入手し、DPI機能により抽出した端末のアプリケーション情報と対応づけて図６に示す内部テーブルに設定されているスケジューリング優先度、最低保証帯域、最大割当帯域、最大遅延量、ポーリング周期、固定割り当て帯域量を参照し、無線リソースのスケジュール管理とスケジューリング情報を記載したMAP情報の作成を行う。また、スケジューラ制御部３４が定義した最大遅延量をデータ制御部３１に通知することで、データ制御部３１は遅延パケットを破棄することができる。

以下ダウンリンクの手順にて具体的なパケット解析手順とスケジューリング手順について説明する。
図４は、コンバージェンスサブレイヤ部におけるアプリケーション解析処理を説明するフローチャートである。
CS部３０にIPパケットが到着すると（ステップ４０）、ヘッダ、ペイロードの構成がシステムが対応しているプロトコル毎に異なるため、現在のレイヤのプロトコルの構成情報を含む解析ルールを事前に定義された内部または外部メモリより呼び出す（ステップ４１）。呼びだしたプロトコルの解析ルールに従い、パケットのヘッダ、ペイロードのLengthを把握し（ステップ４２）、把握した各レイヤのヘッダやペイロードのLengthに基づいて各階層のパケットのヘッダの解析を順に行うことにより上位レイヤプロトコルの特定を行う（ステップ４３）。解析を行っているパケットのレイヤが最上位レイヤで無い場合は、ステップ４１に戻り最上位レイヤに達するまで解析を繰り返す（ステップ４４）。ステップ４４にて現在のレイヤが最上位レイヤと判断した場合は、アプリケーション判定を実施する（ステップ４５）。

スケジューラ制御部３４は、CS部のDPI機能で解析を行った結果得たアプリケーション情報を受信すると、現在の無線リソース使用状態とそのアプリケーションの要件とするリソース割り当てを実施した場合の必要帯域量を勘案して割り当てポリシーを定義する。
スケジューラ制御部３４は、ポリシーを変更してアプリケーションが要件とするリソース割り当てを実施すると無線リソースの輻輳が発生すると判断した場合には、アプリケーション毎に定義している割り当てポリシーのランクを落とす。図６に示したアプリケーションとQoS情報のテーブルの例で説明すると、ランクの高いアプリケーションのランクをＡからＢに落とす、最低ランク以外のランクのアプリケーションのランクを一つずつ落とすなどの制御を、無線リソースの輻輳状況に応じて行う。ランクはアプリケーションのサービスを維持する範囲で定義する。

スケジューラ制御部３４は、決定した割り当てポリシーに従い、スケジューリングを実施する。最低保証帯域、最大割当帯域が定義されている場合は割り当てリソース数×変調方式の送信bit数×符号化率×stream数によって、1フレームに送信する帯域量を計算して、1秒間に割り当てる帯域が最低保証帯域以上、最大割当帯域以下となるように割り当て量を制御する。最大遅延量が定義されている場合はCS部にIPパケットが到達した時刻を基にスケジューラ制御部３４は最大遅延量に従い、パケットの優先割り当て制御を実施する。ポーリング周期が定義されている場合はコンテンション方式の帯域要求手順を省略するために、定義された周期に基づいて端末からの要求帯域量通知のための無線リソースを割り当てる。固定割り当て周期が定義されている場合には最低保証帯域÷固定割り当て周期の帯域量を固定割り当て周期に基づいて割り当てる。

スケジューラ制御部３４は複数の端末に対して順次リソース割り当て決定するため、割り当てポリシーに定義されているスケジューリング優先度の順に割り当てを実施する。また、同じ優先度の端末群毎に最大遅延量を超えない範囲でプロポーショナル・フェアネス方式のスケジューリングを実施することができる。プロポーショナル・フェアネス方式は無線リソースを割り当てたときに期待される瞬時スループットが、それまでの平均スループットと比較して大きくなる端末に無線リソースを割り当てることで、スケジューリング機会の公平性を保ちながら、基地局のシステムスループットを高くすることができるスケジューリング方式である。

本実施例はコアネットワークと基地局間で端末に対して単一のコネクションを生成する場合について説明したが、コアネットワークと基地局間で端末に対して複数のコネクションを生成する場合においても、基地局と端末間の呼処理トラフィック、オーバーヘッド、コネクション数の低減を実現できる。以下にコアネットワークと基地局間で端末に対して複数のコネクションを生成する場合の、ASN-GW11と基地局と端末の関係について説明を行う。以下の説明において、コアネットワーク間の通信は従来技術と同様のため、省略する。

図７は、コアネットワークと基地局間で端末に対して複数のコネクションを生成する場合のシーケンスを説明する図である。
図７は、コアネットワーク側からベストエフォートのQoSポリシーを適用したコネクション要求と、ベストエフォート以外のQoSポリシーを適用したコネクション要求が実施された場合のシーケンス図である。
基地局は、コアネットワーク側からベストエフォート以外のQoSポリシーを適用したコネクション定義要求がされた場合にも、複数のコネクションを定義することなく、運用を行うことができる。
ASN-GW１１から送信されるベストエフォートとベストエフォート以外のコネクション要求（７０，７１）を基地局が受信すると、コネクション要求に含まれるQoS要件を確認し、QoS要件をデータ制御部３１が処理し端末管理部３２とスケジューラ制御部３４に通知し、保持する（７２）。基地局はQoS要件を端末に通知せずに、２つのコネクションを統合するコネクションをベストエフォートコネクションとしてDSA-REQにて端末に通知を行う（７３）。端末は基地局からのDSA-REQを受信すると基地局より指示されたベストエフォートコネクションに対してDSA-RSPにて応答を行う（７４）。基地局は端末からのDSA-RSPを受信すると端末管理部３２の保持情報を基にデータ制御部３１はコネクション生成要求７０，７１にて通知されたQoS要件を基にASN-GW１１へのコネクション１生成応答、コネクション２生成応答メッセージを生成し、生成応答メッセージをASN-GW１１に送信する（７５，７６）。ASN-GW１１はコネクション生成応答７５，７６への応答としてコネクション１生成ACK、コネクション２生成ACKを基地局に送信する（７７，７８)。基地局はコネクション生成ACK７７，７８を受信するとてベストエフォートコネクション７９を送信する。以降、ASN-GW１１と基地局間は２つのコネクションが生成され、基地局と端末間は単一のコネクションにより通信を行うことができる。基地局は、スケジューラ制御部３４に保持されたQoS要件に従い無線リソースの割り当てを開始するが、コネクション生成要求７０，７１にて受信したコネクション１およびコネクション２のQoS要件をスケジューラ部で保持しておき、アプリケーション解析結果に基づいて、コネクション１およびコネクション２のパケットを区別し、アプリケーション毎に動的にポリシー変更を行うことで、２つのコネクションに対応する２つのアプリケーションのQoS制御を、基地局と端末間では一つのベストエフォートコネクション内で実現する。端末管理部３２は端末のコネクション解放時まで、コネクション生成要求７０，７１にて受信したQoS要件を維持し、端末切断時や他基地局へのハンドオーバー時には、コネクション生成要求７０、７１にて受信したQoS要件を含めたメッセージをASN-GW１１に送信する。以上説明した動作によって、ASN-GW１１は２つのコネクションとの通信として認識することができるため、本実施例の基地局は、本実施例の機能を持たない基地局と無線通信システム内で共存させて運用することができる。以上説明した実施例においては、ベストエフォートのコネクションをベースとした運用を記載したが、ベストエフォート以外のQoSコネクションをベースとすることもできる。

次に実施例２として、基地局がDPI機能を有することを利用することで、コアネットワーク側においてシステムの負荷分散を行う例について説明する。実施例１と同様の動作を行う箇所については説明を省略する。

図８は、本発明の一実施例におけるASN-GWと基地局の初期接続時のシーケンスを説明する例である。
基地局は初期立ち上げ時、または新規ASN-GW１１と接続を開始する場合に、ASN-GW１１に対しDPI機能を有することを通知する（８０）。ASN-GW１１はDPI機能通知８０を受信すると、応答を送信する（８１）。基地局はDPI機能応答８１を受信すると、ACKを送信する（８２）。ASN-GW11はDPI機能ACK８２を受信すると、当該基地局がDPI機能を有する基地局として、内部メモリに登録を行う。基地局はシーケンス８２送信後に送波を行う。基地局のプリアンブルを受信し、基地局のセル範囲にいることを認識した端末は接続要求を行う（８３）。接続要求８３を受信した基地局はASN-GW11に接続要求を送信する（８４）。以降、ASN-GW11、基地局、端末間にてコネクション生成、通信が実施され、以降基地局でのアプリケーション解析が実施される。ここでASN-GW11ではDPI機能を有すると登録した基地局に収容される端末に対しては単一のコネクションを生成することで、呼処理メッセージの低減を行う。また、ASN-GW11側でのパケットのアプリケーション解析を行わない、もしくはアプリケーション解析を実施した結果によるポリシー変更は実施しない。これによりASN-GW11はDPI機能を有していない基地局に収容される端末のみに複数のコネクションを生成することや、DPI機能を行うことや、DPI機能によるポリシー変更を実施することで、ASN-GW11の負荷を低減することができる。また、DPI機器はウイルスの検出に利用される場合が有り、ASN-GW11と接続される基地局全てがDPI機能を有する場合には、ASN-GW11、もしくはコアネットワーク側ではウイルスの検出のみに機能を絞り、パケット検査を行うことができる。これによりパケット検査の負荷も低減することができる。

本実施例ではASN-GW11と基地局間のコネクションでQoSによる帯域保証を必要とする場合に基地局からASN-GW11にコネクション追加、またはコネクション変更を行うことができる。通常は無線区間よりもバックボーンが帯域容量が大きく安定しているが、バックボーンの配置制限により無線区間のほうが帯域容量が大きい場合にはASN-GW11と基地局間の帯域保証を行うことが有効である。

図９、は基地局主導でASN-GWと基地局間のコネクション変更を行う場合のシーケンスを説明する図である。
ASN-GW11、基地局、端末間でコネクションが生成され、通信が行われている条件にて、基地局は端末のアプリケーション解析を行い（ステップ９０）、スケジューラ制御部によってリソース割り当てポリシーが変更される（ステップ９１）。リソース割り当てポリシーが変更されると、基地局はASN-GW11へのコネクション１変更要求メッセージを生成して、ASN-GW11に対して送信する（ステップ９２）。ASN-GW11は変更要求を受信すると、内部の当該端末の管理情報を変更して、コネクション１変更応答を基地局に送信する（ステップ９３）。基地局はASN-GW11から変更応答を受信すると（ステップ９４）、端末管理部のQoS情報を変更し、コネクション１変更メッセージを生成し、ASN-GW11に送信する（ステップ９５）。以降、ダウンリンクにおいてASN-GW11にてコネクション変更後の端末宛てのパケット処理が優先的に実施され、アップリンクにおいて基地局にてASN-GW11宛てのパケット処理を優先的に実施する。

実施例３として、基地局がDPI機能を有することを利用し、基地局のDPI機能によるパケット調査結果に応じて、基地局が端末に送信する無線制御情報の中に含まれるリソース割り当てスケジュールに関するパラメータを基地局が制御する例について説明する。実施例１と同様の動作を行う箇所については説明を省略する。

図１０は、複数の変調方式とSINRと伝送効率の関係を説明する図である。
直交周波数分割多重方式（OFDM: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）では一つのOFDMシンボルで位相変調と振幅変調を組み合わせてより多くの情報を伝送するQAM（Quadrature Amplitude Modulation）等の多値変調方式が使用されている。多値変調方式は、変調多値数が多いほど、一つのOFDMシンボルで送信するbit数が多くなるため、伝送効率が高い。但し、変調多値数が多いほど、変調点間の振幅、位相距離が狭まるために、より高い信号対雑音干渉電力比（SINR:Signal to Interference and Noise power Ratio）が必要となり、SINRが低い場合にはパケットエラー率（PER:Packet Error Rate）が高くなるため、伝送効率が低下する。そのため、一般的にSINR毎に最適な変調方式を選択する適応変調技術が用いられる。図１０では説明を簡易化のために変調方式のみを示しているが、変調方式の他、誤り訂正の符号化率、伝送路容量向上のためのStream多重数を含んだ伝送効率を元に方式が決定される。

ダウンリンクのSINRは端末が測定し、基地局に制御情報を用いて報告する。WiMAXではCQI領域５６で基地局から特定のタイミング、周期、領域を端末に指示することで、端末は指示された領域に指示されたタイミングにてCQI情報を送信することができる。このCQI情報の統計を取ることで基地局は端末毎に平均SINRや瞬時SINRを決定するが、報告周期、測定精度によって、報告値の精度が低い場合がある。一般的にこれを補正するためにPERに応じて、変調方式の選択基準SINRをオフセットさせる補正が行われる。しかしながらPERはトラフィックの頻度、周期によって、特性が変わる。トラフィックが連続して発生している場合はPERの統計頻度が高く、PER統計結果の信頼性が高まる。反対にトラフィックが、間欠的で、少ない場合にはPER統計結果の信頼性が低くなる。そのため、トラフィックが頻発している場合はCQI報告結果よりもPER統計結果の信頼性のほうが高くなり、適応変調に与える影響度もPER統計が高くなる特性がある。そのため実施例３ではトラフィックが定期的に流れる端末のCQI報告周期を長くして、トラフィックが間欠的な端末のCQI報告周期を短くし、不要なCQI報告を低減することでCQI領域の効率を高くする。また、トラフィック送信開始時はPER統計による補正が動作していないため、初送時のエラーが高い傾向がある。トラフィック送信前に十分なCQI報告をもらい、適切な変調方式を選ぶことで、本現象を避けることができる。

図１１は実施例３のトラフィックとCQI割り当て頻度の関係例を示す図である。

図１１(a)は端末へのトラフィックが周期的に、かつ短時間の間に連続して流れる様子を示す図である。
スケジューラ制御部３４はCS部３０のDPI機能によるパケット調査結果により端末のトラフィック周期を把握すると、想定されるトラフィックの送信タイミングよりも一定期間前にCQI送信を指示することで、CQI報告を要求する。これにより基地局は想定されるトラフィック送信前に、端末のSINR統計精度を高めて、より良い変調方式を事前に選択しておくことができる。トラフィック送信中はPER統計を行えるため、トラフィック送信タイミングではCQI送信の頻度を低減するように端末に指示する。その後、トラフィックが期待できない期間はCQI送信の頻度はトラフィック送信時に引き続き低くなる。

図１１(b)は端末へのトラフィックが周期的に、かつショートパケットが流れる様子を示す図である。
この例においても、スケジューラ制御部３４はCS部３０のDPI機能によるパケット調査結果により端末のトラフィック周期を把握する。把握した結果、端末へのトラフィックが周期的に、かつショートパケットが流れるという性質があることを把握する。このようなケースでは基地局は常に端末のCQI割り当て周期を比較的に長くする。

本実施例ではアプリケーション解析によるスケジューリング例をCQI割り当てを基に説明したが、アプリケーション解析による制御情報のスケジューリングは他用途にも実施できる。

１０集合型基地局制御部（ベースバンドユニット）
１１ ASN-GW
１２−１３無線部
１４−１７端末
２１ネットワークインターフェース
２２ＣＰＵ
２３メモリ
２４ベースバンドプロセッサ
２５−２６ネットワークインターフェース
３０コンバージェンスサブレイヤ部（DPI機能）
３１データ制御部
３２端末管理部
３３適応変調制御部
３４スケジューラ制御部

Claims

コアネットワークから第１のコネクションを介して受信したパケットに対し無線プロトコルに応じたパケット処理を行うとともに該パケットに応じてスケジューリング情報を生成する制御部と、該制御部でパケット処理を行ったデータおよびスケジューリング情報に対しベースバンド処理を行ってベースバンド信号を生成するベースバンド部と、該ベースバンド信号を高周波信号に変換して第２のコネクションを介して端末に送信する複数の無線部とを有する基地局であって、
前記制御部は、さらに、前記第１のコネクションを介して送受信するパケットを解析するパケット解析部と、前記パケットのアプリケーション情報とQoSのランクを示すQoSクラス情報とQoSを制御するためのパラメータとを対応づけたテーブルを有し、
前記制御部は、前記パケット解析部で抽出した前記パケットのアプリケーション情報に基づいて前記テーブルを参照してQoSパラメータを抽出するとともに、該基地局における無線リソース割り当て状況に基づいて、基地局と端末間のQoSパラメータを定義してスケジューリング情報を生成することを特徴とする基地局。
請求項１に記載の基地局であって、前記テーブルに格納されたアプリケーション情報に対応づけられて設定されたQoSクラス情報およびQoSパラメータは、前記第１のコネクションの生成要求時にコアネットワーク側から通知されたQoS情報に基づくものであることを特徴とする基地局。
請求項２に記載の基地局であって、コアネットワーク側から一つの端末に関し複数のコネクションの生成要求を受信してコアネットワークと基地局間に複数のコネクションを設定するとともに該複数のコネクション生成要求時にコアネットワーク側から通知されたそれぞれのコネクションのQoS情報を前記テーブルに格納し、
該基地局と前記端末間にはひとつのコネクションを生成して、前記コアネットワーク側から受信したパケットを前記パケット解析部で解析した結果に基づいて前記テーブルを参照してQoSパラメータを切り替えてスケジューリング情報を生成することを特徴とする基地局。
請求項１に記載の基地局であって、
前記制御部は、前記テーブルに基づくQoSパラメータによりスケジューリング情報を生成すると該基地局における無線リソースに輻輳が発生すると判断した場合には、前記テーブルに設定された各アプリケーションのQoSクラス情報を変更し、QoSパラメータを変更することで、割り当て可能な無線リソースの範囲内でスケジューリング情報を生成することを特徴とする基地局。
請求項１に記載の基地局であって、
前記パケット解析部において、コアネットワーク側から各端末宛てに到着するパケットのトラフィック特性を解析し、該トラフィック特性の解析結果に基づいて、各端末のCQI割り当て周期を制御することを特徴とする基地局。
複数の端末と無線信号を送受信する複数の基地局と、該複数の基地局をネットワークに接続するゲートウェイとを有する無線通信システムであって、
前記複数の基地局は、前記ゲートウェイとの間で送受信するパケットの解析を行うパケット解析部を有する第１の基地局と、パケット解析部を備えない第２の基地局とからなり、前記第１の基地局は、前記ゲートウェイと接続開始時に、前記ゲートウェイにパケット解析部を有することを通知し、
前記ゲートウェイは、該ゲートウェイ内部のメモリに前記通知を送信してきた基地局を前記第１の基地局として登録しておき、前記ゲートウェイが有するパケット解析部においては、前記第２の基地局から送信されてきたパケットを解析の対象とすることを特徴とする無線通信システム。
請求項６に記載の無線通信システムであって、
前記第１の基地局は、前記基地局が有するパケット解析部の解析結果に基づいて、前記ゲートウェイと基地局間に設定されたコネクションに対応するQoSの設定を変更すると、前記ゲートウェイに対して、該当するコネクションについて、コネクションの変更要求を行うことで、基地局主導でコネクションの変更およびQoSの変更手続きを実施することを特徴とする無線通信システム。