JP2017085201A - 無線通信システム及びその制御方法、並びに、通信制御プログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の無線アクセス機能を利用可能な環境下において通信経路に応じた高い通信品質を得る無線通信システム及びその通信制御方法並びにプログラムを提供する。
【解決手段】無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部120と、それぞれ異なる無線アクセス機能部120と無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線通信端末装置とを備えた無線通信システムにおいて、無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加する付加手段132を備える。
【選択図】図6

Description

本発明は、Multi−RAT環境が構築された無線通信システムに関し、特にその通信品質を向上させる技術に関する。
近年、モバイル通信は急速に普及しており、3G(3rd Generation)やLTE(Long Term Evolution)といった規格のセルラー無線通信や無線LAN(Local Area Network)を備えたスマートフォン、タブレット端末が使われている。今後モバイル通信は更に発展していくが、その方向性の1つとして、HetNet(Heterogeneous Network)が挙げられる(非特許文献1参照)。このHetNetは、単一の技術ではなく異なる技術や様々な大きさの無線セル、様々なバンドを組み合わせてネットワークを形成する方式である。複数の無線技術を組み合わせてHetNetを形成することはMulti−RAT(Radio Access Technology)環境とも呼ばれる。図1は、Multi−RAT環境下におけるセルの様子を示すものであり、マクロセル10内に、スモールセル20、無線LANによるセル30、高周波RATによるセル(ミリ波等)40が形成されている例を示す。このような環境では、端末および基地局は複数の無線技術やバンドを同時に使用して、通信を統合することが主流となる。統合の方法は、統合するレイヤにより異なるが、ネットワークレイヤでの統合の形の例としては、複数のRATを備える統合基地局において、集約する形態が考えられる(図2参照)。また他の形態としては、統合管理ノードと、基地局を別々に配備する形態も考えられる(図3参照)。
図2に示すMulti−RAT環境における統合形態について説明する。図2に示すように、統合基地局100は、インターネット500等のネットワークに接続するためのネットワーク機能部110と、異なる種類のRAT機能を提供してアクセスポイントとして動作するRAT機能部120と、各RAT機能部120を統合管理する統合管理部130とを備えている。ここで、RAT機能部120の1つは、典型的には、いわゆるマクロセルを形成するセルラー通信に係るものであり、他のRAT機能部は形成セル範囲がセルラー通信よりも狭い例えば無線LAN等に係るものである。
端末300は、それぞれ異なる種類のRAT機能で無線通信を行うための無線通信機能部310と、各無線通信機能部310を統合管理する統合無線通信インタフェース320と、通信プロトコルスタック330と、アプリケーション340とを備えている。通信プロトコルスタック330は、複数のレイヤのスタックとして実装された処理機能部であり、少なくともOSI参照モデルのトランスポート層とネットワーク層とを含む。したがって、各無線通信機能部310は、少なくともOSI(Open Systems Interconnection)参照モデルのデータリンク層以下の処理機能部を含むものである。また、アプリケーション340は、少なくともOSI参照モデルのセッション層以上の処理機能部を含むものである。
統合基地局100の統合管理部130は、端末300とインターネット500上のサーバ510との通信において、利用するRAT機能部120の決定・パケットの割り振り等を行う。また、端末300の統合無線通信インタフェース320は、インターネット500上の510との通信において、利用する無線通信機能部310の決定・パケットの割り振り等を行う。
図3に示すMulti−RAT環境における他の統合形態について説明する。図3に示すように、統合管理ノード200は、複数の無線基地局400を収容する。統合管理ノード200は、インターネット500等のネットワークに接続するためのネットワーク機能部210と、各無線基地局400と接続するためのネットワーク機能部220と、各無線基地局400を統合管理する統合管理部230とを備えている。
複数の無線基地局400は、それぞれ異なる種類の機能部を有しておりアクセスポイントとして動作する。ここで、複数の無線基地局400のうちの1つは、典型的には、いわゆるマクロセルを形成するセルラー通信に係るものであり、他の無線基地局400は形成セル範囲がセルラー通信よりも狭い例えば無線LAN等に係るものである。
端末300の構成は図2を参照して前述したものと同様である。
統合管理ノード200は、端末300とインターネット500上のサーバ510との通信において、利用する無線基地局400の決定・パケットの割り振り等を行う。
一方で、一般的なインターネットでの通信にはTCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)に代表されるプロトコルが使用される。TCPに代表されるトランスポート層のプロトコルは、ネットワークの輻輳状態に応じて、送信パケット量や再送を制御する輻輳制御の機能により、ネットワーク品質に応じて送信量を制御する機能を備える。これらの通信の制御は端末とサーバ間のEnd−to−Endで行われる。
Jeanette Wannstrom, 他1名, "Heterogeneous Networks in LTE", 3GPP, [online], [平成27年9月17日検索], インターネット<URL: http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/1576-hetnet>
図2や図3に例示したようなMulti−RAT環境では、インターネット500上のサーバ510と、端末300間で行われる通信において、端末300およびサーバ510上のアプリケーションや、トランスポート層のプロトコル処理は、途中の経路に複数の無線が統合されているということを知ることはできず、これを意識せずに行われる。また、端末300およびサーバ510上のアプリケーションや、トランスポート層のプロトコル処理は、End−to−Endのスループットや、遅延、パケットロス等の知り得る情報を元に、振る舞いを決定する。
しかし、Multi−RAT環境では、複数の無線通信を、環境に応じて組み合わせて使用するため、ユーザが移動中等においては、小セルのRATの追加/削除が頻発する等、経路の環境は激しく変動する。また、今後、無線通信技術も多様性を増すことが考えられ、例えばミリ波を用いた超高速だが小セルで運用されるもの、あるいは、アンライセンスバンドで品質は担保できないが安価で利用できるセル、広域で安定的に使用できるマクロセル等、RATによって特性は異なる。更に、無線通信はそもそもの通信原理から、伝搬路の状況や、同じバンドをシェアする他ユーザの通信状況等により、ユーザが利用可能な通信速度、品質は激しく変化するという特徴がある。従って、アプリケーションやトランスポート層がEnd−to−Endの品質のみを用いて制御する方法では、Multi−RAT環境の通信品質を十分に向上できないという課題がある。
一例を挙げれば、図1に示すように、移動しながら低速なマクロセル10に接続し通信中のユーザ1の端末が、超高速なスポットセル20,30のエリアに入り、そのRATを追加して使用する場合、従来のTCPの輻輳制御では、超高速な速度まで通信速度を向上するには時間がかかるため、スポットセル20,30の滞在時間中に十分な帯域を利用できないという課題が生じる。また、アプリケーションにとっては、低速なマクロセル10滞在中は動画を低画質で送信していたが、超高速なスポットセル20,30に入った際には高画質伝送を行いたいところであるが、その状態をすぐには知ることができず、End−to−Endのスループットが向上したことをある程度の時間が経過した後の結果から推定するしかない。
またもう一つの課題としては、アプリケーションから送られたパケットを複数のRATのどれを使用して送信するかは、一般的には統合基地局100や統合管理ノード200あるいは端末300内の統合無線通信インタフェース320のスケジューラ機能が決定する。現状ではアプリケーションからの使用RATの希望があっても、それを伝えることは、特別にそのような通信経路、手段を設定しない限り、できない。従って、現状ではアプリケーションの特性に合わないRATで送信されるケースもあり、通信品質が低下している状況もあるという点が課題である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数の無線アクセス機能を利用可能な環境下において通信経路に応じた高い通信品質を得ることができる無線通信システム及びその通信制御方法並びにプログラムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本願発明に係る無線通信システムは、無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、それぞれ異なる無線アクセス機能部と無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置とを備えた無線通信システムにおいて、前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加する付加手段を備えたことを特徴とする。
また、本願発明に係る無線通信システムにおける通信制御方法は、無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、それぞれ異なる無線アクセス機能部と無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置とを備えた無線通信システムにおける通信制御方法であって、前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加するステップを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、トランスポート層のヘッダ部に付加された付加情報を参照することにより、トランスポート層及びその上位層において通信経路としてどのような無線アクセス機能が使われているかを把握できるので、無線アクセス機能に適した通信制御を行うことが可能となる。さらに、トランスポート層より上位層が付加情報として無線アクセス機能の指定等を行うことも可能となるので、アプリケーションに適した無線アクセス機能を用いることができる。これにより通信経路に応じた高い通信品質を得ることができる。
Multi−RAT環境を説明するイメージ図 Multi−RAT環境における統合形態の一例を説明する図 Multi−RAT環境における統合形態の他の例を説明する図 「使用可能RATの情報」を付加する場合の構成例 「送信RATの希望情報」を付加する場合の構成例 統合基地局の機能ブロックの一例 端末の機能ブロックの一例 プロトコルスタックの一例 「使用可能RATの情報」の利用形態の一例を説明する図 「送信RATの希望情報」の利用形態の一例を説明する図
本発明の一実施の形態に係るシステムについて図面を参照して説明する。本発明は、Multi−RAT環境化においてOSI参照モデルのトランスポート層のパケットのヘッダ部に、無線基地局の情報を付加することを特徴としている。より具体的には、図4及び図5に示すように、TCP等のトランスポート層のヘッダのオプションフィールドに、付加情報として無線基地局に関する情報を載せるフィールドを準備する。
本発明において付加情報の種類は2つに大別される。1つは「送信RATの希望情報」であり、1つは「使用可能なRAT情報」である。
図4では「使用可能RATの情報」を付加する際の構成を示す。この場合はトランスポート層のオプションフィールドに、端末毎に使用可能なRATの情報を記載する。図5に示す記載例では、オプションフィールドは利用可能なRAT数と、それぞれのRAT情報から構成される。RAT情報は、例えばRATの技術、速度、セル半径などの情報の一部又は全部を記載可能である。
図5では「送信RATの希望情報」を付加する際の構成例を示す。この場合はトランスポート層のオプションフィールドに送信を希望するRATの情報を記載する。図4に示す記載例では、オプションフィールドは希望するRATの指定方法を示すフィールドと、実際の指定内容のフィールドで構成される。指定方法を示すフィールドでは、例えばRATの技術による指定、速度での指定、セル半径での指定の一部又は全部といったものが考えられ、それぞれの指定方法に即した内容が指定内容のフィールドに記載される。
本発明は、これらのフィールドを用いて、無線RATの情報を付加情報としてトランスポート層に伝えるクロスレイヤ処理が特徴的な点である。
次に、前記フィールドの利用方法について説明する。まず、付加情報として「使用可能RATの情報」を用いる場合について説明する。当該付加情報は、無線通信を使用して受信したパケットをネットワーク側に送信する際に、図2に示す統合基地局100や、図3に示す統合管理ノード200によって付加される。これらの統合基地局100や統合管理ノード200は端末単位で使用可能なRATをリアルタイムで管理し、その情報を付加する。または、端末300側での利用においては、図2,図3に示すように端末300の内部で無線通信を使用して受信したパケットを統合管理して、通信プロトコルスタックに渡す役割である統合無線通信インタフェース320で情報の付加が行われる。
統合基地局100の構成を図6に示す。統合基地局100の内部の統合管理部130には、RAT情報管理部131があり、端末毎にどのRATが使用可能かどうか、あるいは、各RATの技術規格情報や通信速度、セル半径などRATに関する情報を管理する。この管理部131の情報を元に、通信回線への送信パケットのオプションフィールド付加部132が「使用可能RATの情報」を付加し、通信インタフェースを介して通信回線にパケットを送出する。統合管理ノード200の場合においても、統合管理部130と各RATの基地局機能の間が分割されてネットワーク上で別れて配備される点以外は同様である。なお、オプションフィールド付加部132による付加情報の付加は、端末300が使用可能なRATに変化があった場合のみでもよいし、定期的に行ってもよい。
図7に端末300の構成を示す。統合基地局100の場合と同様に、端末300の統合無線通信インタフェース部320は、RAT情報管理部321とパケットのオプションフィールド付加部322を持つ。パケットのオプションフィールド付加部322は、無線で受信したパケットを上位のプロトコルスタック330に渡す際にフィールドに情報を付加する。オプションフィールド付加部322による付加情報の付加は、端末300が使用可能なRATに変化があった場合のみでもよいし、定期的に行ってもよい。
「使用可能RATの情報」が付加されたパケットを受信したサーバ510のプロトコルスタックあるいは端末300のプロトコルスタック330は、このオプションフィールドの情報を読み取り、上位層であるアプリケーションに対してはソケット等を経由してオプションの情報を引き渡す。あるいは、トランスポート層の制御においてこの情報を利用する。
図8にプロトコルスタックの機能構成例を示す。なお、このプロトコルスタックは、サーバ510の端末300の何れか一方又は双方に実装されるものであり、その構成は両者で共通である。図8は、制御の一例として「使用可能RATの情報」を用いて輻輳制御アルゴリズムの変更を行うことを想定した機能ブロックを示している。ネットワーク層のプロトコルスタック610から渡されたパケットに対して、トランスポート層のプロトコルスタック620はオプションフィールド取得部621により取得し、取得した情報をアプリケーション間I/F部622を介してアプリケーション層700に渡す。一方で輻輳制御アルゴリズム選択部623において、取得した「使用可能RATの情報」の情報から、対応する端末宛の送信パケットの制御アルゴリズムを選択し、輻輳制御部624に対して輻輳制御方法の変更を指示する。
次に、「送信RATの希望情報」の利用方法について説明する。「送信RATの希望情報」は、図8のようにサーバ510や端末300の通信プロトコルスタック600は、アプリケーション層700とのI/F部622を介してアプリケーションの使用RATの希望情報を取得し、トランスポート層のプロトコルスタック620において、オプションフィールド付加部625が「送信RATの希望情報」のフィールドを付加し、ネットワーク層のプロトコルスタック610に渡す。「送信RATの希望情報」が付加されたパケットを受信した統合基地局100の動作としては、図6に示すように通信回線からの受信パケットのオプションフィールド取得部133においてフィールドの情報を取得し、RAT選択・パケット分散/集約部134において、その希望情報を用いて、その他の情報と総合的に判断し、使用RATを決定する。また各RATへの転送を行う際に「送信RATの希望情報」を削除することも実施例の一つとしてある。統合管理ノード200の場合においても、統合管理部130と各RATの基地局機能の間が分割されてネットワーク上で別れて配備される点以外は同様である。端末300の場合においても、図7に示すように、通信プロトコルスタック330から渡されたパケットのフィールドを、送信パケットのオプションフィールド取得部323において取得し、RAT選択・パケット分散/集約部324において、その希望情報を用いて、その他の情報と総合的に判断し、使用RATを決定する。この場合も各RATへの転送を行う際に「送信RATの希望情報」を削除することも実施例の一つとしてある。
本発明は以上の技術を用いることにより課題を解決する。本発明による作用・効果は、大きくは「使用可能RATの情報」を用いた制御による作用・効果と、「送信RATの希望情報」を用いた制御による作用・効果の2つに分けられる。
「使用可能RATの情報」を用いた制御としては、図8において示したようにトランスポート層の制御アルゴリズムの最適化に適用できる。図9にその使用例を示す。端末はマクロセルに接続した状態でインターネット上のサーバとの通信を設定し、通信を開始する。端末が使用されながら移動し、別のRATであるスモールセルのエリアに差し掛かった段階で、そのRATの統合的な使用を開始する。このスモールセルは超高速なアクセスが可能であり、マクロセル使用時に利用していたトランスポート層の輻輳制御アルゴリズムが徐々に速度を向上させていく制御であった場合には、高速性を使いきるまでに時間がかかる。このため、本技術を用いて、端末や統合基地局或いは統合ノードにおいて「使用可能RATの情報」を付加することにより、高速なRATに切り替わったことをトランスポート層に通知する。この情報を元にトランスポート層のプロトコルスタックは輻輳アルゴリズムを急激な速度向上が可能であるアルゴリズムに変更する。また、そのRATの切り替わりの情報をアプリケーションに通知する。スモールセルのエリアを抜けた場合には、再びRATの変更を通知し、輻輳アルゴリズムを適したものに変更する。このようにして、RATの変化に追随した制御が可能となる。また、アプリケーションにRATの変化を通知することによって、アプリケーションの挙動を変化させることが可能である。例えば、高速RATの追加/削除を検知して、ストリーミング動画のレート変更を行うことが可能である。または、高速なセルを掴んだ時に、ストリーミングのキャッシングのペースを上げることが可能である。また、アンライセンスバンドのセルを掴んだことを検知して、広告等のユーザにとって必ずしも必要ではないデータの配信を行うことも可能である。このようにRATの変化を上位層に通知することで、よりユーザのQoE(Quality of Experience)を向上させる制御が可能となる。
「送信RATの希望情報」を用いた制御の例を図10に示す。サーバ上のアプリケーション810が、例えばリアルタイム通信等によりハンドオーバによる瞬間的な遅延等を望まず広域性を求める場合等においては、本技術により、マクロセルのRATの選択を希望する情報を「送信RATの希望情報」に付加し、統合基地局100はその情報を参考に割当てRATを選択し、マクロセルを構成するRATでの送信を行う。また別のアプリケーション820で、あまり重要ではないがデータ量が多い通信においては、Wi−Fi等のアンライセンスバンドで運用され、通信コストが安い回線を希望する情報を「送信RATの希望情報」に付加し、統合基地局100はその情報を参考に割当てRATを選択し、Wi−FiセルやスモールセルのRATでの送信を行う。なお統合管理ノード200においても同様の処理が可能である。以上のように従来ではアプリケーションにとってどのRATで送信されるかは関与することができなかったが、より希望に沿ったRAT選択とすることが可能となる。
なお、上述の統合基地局100の統合管理部130、統合管理ノード200の統合管理部230、端末300の統合無線通信インタフェース320、及び、端末300やサーバに実装されるプロトコルスタック600の各部は、ハードウェアとして実装してもよいし、プログラムをコンピュータにインストールすることによって実装してもよく、各部の機能を発揮可能であれば実装形態は不問である。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば上記実施の形態ではトランスポート層のプロトコルとしてTCPを例示したが、他のプロトコルであっても本発明を実施できる。
また、上記実施の形態では、トランスポート層のプロトコルスタックにおける付加情報を用いた制御の一例として輻輳制御について説明したが、他の制御にも付加情報を活用することができる。
100…統合基地局
120…RAT機能部
130…統合管理部
131…RAT情報管理部
132…オプションフィールド付加部
133…オプションフィールド取得部
134…RAT選択・パケット分散/集約部
200…統合管理ノード
230…統合管理部
300…端末
310…無線通信機能部
320…統合無線通信インタフェース
321…RAT情報管理部
322…オプションフィールド付加部
323…オプションフィールド取得部
324…RAT選択・パケット分散/集約部
330…通信プロトコルスタック
340…アプリケーション
400…RAT基地局
500…インターネット
510…サーバ
600…プロトコルスタック
610…ネットワーク層のプロトコルスタック
620…トランスポート層のプロトコルスタック
621…オプションフィールド取得部
622…アプリケーション間I/F部
623…輻輳制御アルゴリズム選択部
624…輻輳制御部
625…オプションフィールド付加部
700…アプリケーション層

Claims (7)

  1. 無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、それぞれ異なる無線アクセス機能部と無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置とを備えた無線通信システムにおいて、
    前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加する付加手段を備えた
    ことを特徴とする無線通信システム。
  2. 前記付加手段による付加情報は、前記無線通信端末装置が現在利用可能な無線アクセス機能部に関する情報を含み、
    前記付加手段を、前記アクセス機能部が収容された無線基地局、又は、前記無線基地局を統合管理する統合管理装置、或いは、前記無線通信端末装置に設けた
    ことを特徴とする請求項1記載の無線通信システム。
  3. 前記付加手段による付加情報は、利用を希望する無線アセス機能部に関する情報を含み、
    前記付加手段を、前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方に設けた
    ことを特徴とする請求項1記載の無線通信システム。
  4. 前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方は、トランスポート層のパケットヘッダから前記付加情報を取得して上位層に通知する付加情報通知手段を備えた
    ことを特徴とする請求項1乃至3何れか1項記載の無線通信システム。
  5. 前記無線通信端末装置又は前記無線通信端末装置の通信相手装置の何れか一方又は双方は、トランスポート層のパケットヘッダから前記付加情報を取得して当該付加情報に基づきトランスポート層におけるパケット処理を制御する制御手段を備えた
    ことを特徴とする請求項1乃至3何れか1項記載の無線通信システム。
  6. 無線アクセス機能を提供する複数の無線アクセス機能部と、それぞれ異なる無線アクセス機能部と無線通信を行うための複数の無線通信機能部を有する無線端末装置とを備えた無線通信システムにおける通信制御方法であって、
    前記無線通信端末装置による通信に係るトランスポート層のパケットのヘッダ部に対して無線アクセス機能部に関する情報を付加するステップを備えた
    ことを特徴とする無線通信システムにおける通信制御方法。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項記載の無線通信システムの各手段としてコンピュータを機能させるための通信制御プログラム。
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