JP2018026711A - QoS control system and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動網におけるQoS制御技術に関する。 The present invention relates to a QoS control technique in a mobile network.
IoT(Internet of Things)の発展に伴い、人間の皮膚感覚や反応などをネットワークを介して伝えるTactile Internetという概念が提唱されている。このTactile Internetでは、ミリ秒オーダーの低遅延性が求められており、このような厳しい遅延要件のネットワークを実現するためには、ネットワークのアーキテクチャも含めた見直しが必要となる。 With the development of IoT (Internet of Things), the concept of Tactile Internet that conveys human skin sensations and reactions over a network has been proposed. The Tactile Internet is required to have low latency on the order of milliseconds. In order to realize a network with such strict delay requirements, it is necessary to review the network architecture.
低遅延通信を実現するネットワークアーキテクチャとして、Mobile Edge Computingという手法が提案されている。Mobile Edge Computingは、サーバやアプリケーションを端末近傍のデータセンタ等に配備し、サーバと端末間の通信遅延を短縮化することを一つの目的としており、ETSI ISG MECにてMobile Edge Computingを実現するためのフレームワークが提案されている(非特許文献1参照)。 A method called Mobile Edge Computing has been proposed as a network architecture for realizing low-latency communication. Mobile Edge Computing aims to reduce the communication delay between the server and the terminal by deploying servers and applications in the data center near the terminal. To achieve Mobile Edge Computing with ETSI ISG MEC A framework has been proposed (see Non-Patent Document 1).
Mobile Edge Computingの具体的な実装技術としては、非特許文献2に示すように、3GPPにて規定されているeNB(evolved Node B)とEPC(Evolved Packet Core)を接続するS1インタフェース区間において、S1ベアラに対するパケットの送受信機能を追加することで、端末近傍のデータセンタに配備したサーバやアプリケーションがS1インタフェースを介して端末と通信することを可能にしている。
As a specific implementation technique of Mobile Edge Computing, as shown in Non-Patent
非特許文献2に示す手法にて、Mobile Edge Computingを実現した場合、端末近傍のデータセンタと通信を行い、通信に係る物理的な伝搬遅延を短縮化することができる。しかし、通信遅延を増加させる要因には伝搬遅延以外に輻輳によるキューイング遅延があり、モバイル網においては無線区間の電波帯域が限られているため、無線区間にて輻輳起因の遅延増加が発生しやすい。
When Mobile Edge Computing is realized by the technique shown in
低遅延通信を実現するためには、遅延条件の緩いベストエフォート型フローと遅延条件の厳しい優先型フローを区別し、無線区間の輻輳発生時においても優先型フローを滞留させない制御が必要である。 In order to realize low-delay communication, it is necessary to distinguish between a best-effort flow with a mild delay condition and a priority-type flow with a severe delay condition, and to prevent the priority flow from staying even when congestion occurs in a wireless section.
このような制御を実現する手段として、QoS(Quality of Service)制御技術があり、eNBやMobile Edge ComputingプラットフォームにQoS制御機能を組み込むことで、優先型のフローを滞留させない制御が可能となる。 As a means for realizing such control, there is a QoS (Quality of Service) control technology, and by incorporating a QoS control function into an eNB or Mobile Edge Computing platform, control without retaining a priority flow is possible.
しかし、3GPPにて規定されているQoS制御では、eNBはEPCと端末間で確立されるベアラ単位でQoS制御を行うことが規定されている。非特許文献2で示す手法では、ベアラ内にベストエフォート型フローと優先型フローが混在するため、eNBではこれらのフローを識別してQoS制御することが求められるが、3GPPの規定を超えた実装になるため、eNBに新たな機能追加が必要となる。なお、eNB〜EPC間で確立されるベアラは、S1ベアラや無線ベアラ等の複数のベアラの組み合わせで構成される。
However, in the QoS control defined in 3GPP, it is defined that the eNB performs QoS control in units of bearers established between the EPC and the terminal. In the method shown in Non-Patent
このような課題の解決の方向性として、モバイル網に配備されている既存の全てのeNBに対して機能追加をすることは、コスト面から現実的ではない。このため、eNBではなくMobile Edge ComputingプラットフォームにQoS制御を導入することが解決策として考えられる。 As a direction for solving such a problem, it is not realistic from the viewpoint of cost to add functions to all existing eNBs deployed in the mobile network. For this reason, introducing QoS control into the Mobile Edge Computing platform instead of the eNB is considered as a solution.
ただし、 Mobile Edge Computingプラットフォームは、無線区間の輻輳状態を直接的に把握することができないため、輻輳状態の検知が課題となる。また、輻輳時にベストエフォート型フローに対する帯域制限をかける際に、過剰な制御をかけた場合、無線区間の帯域使用率が低下する可能性があるため、帯域の制御方法も課題である。 However, since the Mobile Edge Computing platform cannot directly grasp the congestion state of the wireless section, detection of the congestion state becomes an issue. In addition, there is a possibility that the bandwidth usage rate in the wireless section may be lowered when excessive control is applied when bandwidth is limited for the best effort flow at the time of congestion.
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、無線基地局に機能追加等をすることなく優先型フローの低遅延性を確保することができるQoS制御システム及び方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a QoS control system and method capable of ensuring low latency of a priority flow without adding a function to a radio base station. Is to provide.
上記目的を達成するために、本願発明は、無線基地局とコアネットワークとを備えるとともに優先型フローとベストエフォート型フローとが混在する移動網において前記無線基地局と前記コアネットワーク間に配置されTCPパケットの転送機能を有するQoS制御システムであって、転送するTCPパケットを解析して無線区間におけるパケットロスの発生を検出するパケットロス検出手段と、パケットロスが発生した場合にベストエフォート型フローの帯域を狭くするよう制御する帯域制御手段とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a TCP that is provided between a radio base station and a core network in a mobile network that includes a radio base station and a core network and in which a priority flow and a best effort flow are mixed. A QoS control system having a packet transfer function, a packet loss detecting means for analyzing a TCP packet to be transferred to detect occurrence of a packet loss in a wireless section, and a bandwidth of a best effort flow when a packet loss occurs And a band control means for controlling the frequency to be narrow.
本発明によれば、無線基地局に機能追加をすることなしに、無線区間の輻輳を検知し、ベストエフォート型フローの帯域を制限することで、優先型フローがベストエフォート型フローの影響を受けて無線基地局においてパケットが滞留することを防ぎ、結果として、優先型フローが低遅延な通信を実現することができる。 According to the present invention, the priority flow is affected by the best-effort flow by detecting congestion in the radio section and limiting the bandwidth of the best-effort flow without adding a function to the radio base station. Thus, packets can be prevented from staying in the radio base station, and as a result, communication with a low priority delay flow can be realized.
本実施の形態に係る無線通信システムについて図1を参照して説明する。図1は本発明に係る無線通信システムの概要を説明する構成図である。 A radio communication system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an outline of a wireless communication system according to the present invention.
本発明は、周知のLTE(Long Term Evolution)などのモバイル網を対象とするものであり、図1ではLTEを例にとって説明する。LTEにおけるネットワーク構成は、コアネットワークとしてのEPC10と、端末1を収容する無線基地局としてのeNB20とを備えている。EPC10は、インターネット30を含む1つ以上の外部ネットワークと接続しており、該外部ネットワークとのゲートウェイを含む。周知のように、端末1がインターネット30と通信する際には、当該通信に係るフローは、端末1とeNB20との間に形成された無線ベアラ41と、eNB20とEPC10との間に形成されたS1ベアラ42を通る。
The present invention is intended for a mobile network such as the well-known LTE (Long Term Evolution), and FIG. 1 will be described by taking LTE as an example. The network configuration in LTE includes an
本発明では、低遅延通信を実現するためのMobile Edge Computingプラットフォーム(以下「MECプラットフォーム」と言う)50を備えていることを前提としている。MECプラットフォーム50は、eNB20とEPC10との間であってeNB20の近傍に配置される。MECプラットフォーム50には、端末1にサービスを提供するアプリケーション60が接続されている。MECプラットフォーム50がS1ベアラに対するパケット送受信機能を提供することで、端末1と該端末1の近傍に配備されたアプリケーション60との間で通信が可能になる。
In the present invention, it is assumed that a Mobile Edge Computing platform (hereinafter referred to as “MEC platform”) 50 for realizing low-latency communication is provided. The MEC
本発明は、図1に示すように、eNB20〜EPC10間のベアラ41,42内に混在する優先型フローとベストエフォート型フローという優先度の異なる2つのフローに対してQoS制御を行うために、MECプラットフォーム50にQoS制御システム100を組み込むことを特徴としている。すなわち、QoS制御システム100は、S1インタフェース区間に配置されている。なお、QoS制御システム100の制御対象は、OSI(Open Systems Interconnection)参照モデルのトランスポート層に位置するTCP(Transmission Control Protocol)のフローである。
As shown in FIG. 1, the present invention performs QoS control on two flows with different priorities, a priority flow and a best effort flow, which are mixed in the
優先型フローはMECプラットフォーム50により端末1とアプリケーション60との間に形成される。ベストエフォート型フローは、基本的には端末1とインターネット30との間に形成されるが、端末1とアプリケーション60との間にベストエフォート型フローが形成される場合もある点に留意されたい。なお、本実施の形態では説明の簡単のため、図1に示すように、ベストエフォート型フローは端末1とインターネット30との間にのみ形成されているものとする。
A priority flow is formed between the
MECプラットフォーム50は、Mobile Edge Computingを実現するために、S1ベアラ等のモバイル網特有の信号処理やパケット処理を行う機能を有している。一方、QoS制御システム100は、TCPフロー処理のみを扱うものであり、パケットの振り分け処理等はMECプラットフォーム50で処理される。換言すれば、QoS制御システム100で処理対象となるTCPフローは、端末1とインターネット30との間のTCPフローだけでなく、端末1とアプリケーション60との間のTCPフローも含まれる。なお、図2以降では説明の簡単のため、アプリケーション60についての記載は省略した。
The MEC
本発明におけるQoS制御システム100は、輻輳検知機能と帯域制御機能とを備えている。前記輻輳検知機能は、TCPパケットのシーケンス番号分析に基づいて、無線区間の輻輳状態を検知する機能である。前記帯域制御機能は、輻輳状態を検知した際に、輻輳状態を回避するために、ベストエフォート型フローに対して帯域制御を行う機能である。
The
図2を参照してQoS制御システム100の輻輳検知機能の概要について説明する。輻輳検知機能では、TCPパケットのシーケンス番号とACKパケットのACK情報からパケットの到達性を確認する。ACK情報による到達確認が取れない場合、パケットロスが発生しており、無線区間の輻輳とみなす。ACKの戻りにはNW遅延による時間差があるため、(1)TCPパケット処理と、(2)ACKパケット処理の分析フェーズは時間差を設ける(各分析フェーズは予め決められた固定的な時間)。また、TCPパケットの転送データ量を記録しておくことで、輻輳が発生した際のデータ量を把握する。
An outline of the congestion detection function of the
QoS制御システム100の輻輳検知機能のうちパケットロス検出の詳細について図3及び図4を参照して説明する。パケットロスの検出は、図3又は図4に示す方法を用いる。図3に示す方法はACKシーケンス番号を分析することで輻輳検知を行うものであり、図4はACK+SACKシーケンス番号を分析することで輻輳検知を行うものである。図3及び図4はどちらも1パケットロスの例であるが、パケットロスの判定結果は、ACKシーケンス番号分析は3パケットロス、ACK+SACKシーケンス番号分析では1パケットロスとなり、後者の方が精度が高い。本発明では、ACK+SACKシーケンス番号分析を原則として使用するが、分析対象のTCPフローがSACKオプションをサポートしていない場合は、ACKシーケンス番号分析の手法を用いる。
Details of packet loss detection in the congestion detection function of the
QoS制御システム100の帯域制御機能の概要について説明する。まず、前記輻輳検知機能において、パケットロス発生時のデータ量xi、パケットロス数yiとして、分析結果を統計データとして記録する。
An overview of the bandwidth control function of the
そして、帯域制御機能では、記録された統計データを元に、下記のいずれかの方法で無線区間に輻輳を発生させないための制限データ量を決定する。 Then, in the bandwidth control function, based on the recorded statistical data, a limit data amount for preventing congestion in the wireless section is determined by any of the following methods.
(1)データ量xiの最小値×安全係数を制限データ量とする。ここで、安全係数は例えば0.9等の、パケットロスが発生した最小データ量よりも小さい値にするための補正値である。
(2)データ量とパケットロス数の関係を一次関数として扱い、x軸の切片を用いる。すなわち、一次関数y=ax+bの係数を下記の最小二乗法にて求め、x=−b/a×安全係数を制限データ量とする。安全係数について前記(1)と同様である。本方法のイメージを図5に示す。
(1) The minimum value of the data amount x i × the safety coefficient is set as the limited data amount. Here, the safety coefficient is a correction value for making the value smaller than the minimum data amount in which packet loss occurs, such as 0.9.
(2) Treat the relationship between the amount of data and the number of packet losses as a linear function, and use the x-axis intercept. That is, the coefficient of the linear function y = ax + b is obtained by the following least square method, and x = −b / a × safety coefficient is set as the limit data amount. The safety factor is the same as (1) above. An image of this method is shown in FIG.
帯域制御は、図2に示す分析フェーズと同じ時間間隔において送信可能な最大データ量を上記情報で決定した制限データ量に制限することで行う。 The bandwidth control is performed by limiting the maximum data amount that can be transmitted in the same time interval as the analysis phase shown in FIG. 2 to the limited data amount determined by the above information.
次に、本発明の一実施の形態に係るQoS制御システムについて図6を参照して説明する。本実施の形態に係るQoS制御システム100は、図6に示すように、帯域制御部110と、TCPデータパケット処理部120と、フロー管理部130と、TCPACKパケット処理部140と、輻輳検知部150と、品質管理部160とを備えている。
Next, a QoS control system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, the
帯域制御部110は、図7に示すように、上位ネットワークから受信したTCPパケットの優先クラスに基づき格納先キューの振り分けを行うクラシファイヤ111と、優先クラスのTCPパケットを格納する優先キュー112と、ベストエフォートクラスのTCPパケットを格納するBEキュー113と、BEキュー113からのTCPパケットをトークンバケットポリサーやシェーパー等のアルゴリズムにより出力制御する帯域制御機能部114と、優先クラスに基づくスケジューリングによりTCPパケットを出力するスケジューラ115と、図示しない全体制御部を備えている。
As shown in FIG. 7, the
帯域制御部110の全体制御部は、図8に示すように、品質管理部160からデータ量とパケットロス数のデータを読み込み(ステップS1)、前述の輻輳を発生させないための制限データ量を算出し(ステップS2)、算出した単位時間あたりに制限する制限データ量を帯域制機能部114に設定する(ステップS3)。ここで、帯域制御機能部114による帯域制御の対象となるのは、図7からも明らかなように、ベストエフォート型フローである点に留意されたい。
As shown in FIG. 8, the overall control unit of the
上位ネットワークからのパケットは、帯域制御部110を介して、TCPデータパケット処理部120に渡される。TCPデータパケット処理部120では、図9に示すように、TCPフローが識別され(ステップS11)、フロー管理部130のTCPデータパケット情報に、TCPフローID、シーケンス番号、バイト数、受信時刻情報が記録される(ステップS12)。TCPフローIDは、IPアドレスやTCPポート番号等からハッシュ計算により算出したTCPフローを一意に識別できるIDである。TCPデータパケット処理部120にて処理されたパケットは下位ネットワークに転送される。
Packets from the upper network are passed to the TCP data
一方、下位ネットワークからのパケットは、図10に示すように、TCPACKパケット処理部140にて、TCPフローが識別され(ステップS21)、ACKシーケンス番号、SACKシーケンス番号、受信時刻情報がフロー管理部130のTCPACKパケット情報に記録される(ステップS22,S23)。TCPACKパケット処理部140にて処理されたパケットは上位ネットワークに転送される。
On the other hand, as shown in FIG. 10, the TCP ACK
フロー管理部130における管理データの一例を図11に示す。前述したように、フロー管理部130では、TCPデータパケット処理部120により記録されたTCPデータパケット情報と、TCPACKパケット処理部140により記録されたTCPACKパケット情報とが管理される。
An example of management data in the
輻輳検知部150では、図12に示すように、フロー管理部130からTCPデータパケット情報と、TCPACKパケット情報を読み込み(ステップS31)、TCPフロー毎に、記録されているTCPデータパケットのシーケンス番号がACKによる受信確認が取れているかを判定する(ステップS32〜S34)。但し、Delayed ACKによりACKパケットが直ちに送信されない場合があるため、TCPフローの最後に記録されたTCPデータパケットは分析の対象外とする(ステップS32)。
As shown in FIG. 12, the
受信確認の判定は、TCPデータパケットのシーケンス番号<ACKシーケンス番号となっていれば受信確認が取れているものとする(ステップS33)。また、SACKシーケンス番号#1〜#NにTCPデータパケットのシーケンス番号が含まれている場合も受信確認が取れているものとする(ステップS34)。いずれにも該当しない場合は、パケットロスが発生したとみなし、品質管理部160のパケットロス数をカウントアップ(+1)する(ステップS35)。また、輻輳検知部150は、品質管理部160のデータ量として、TCPデータパケット情報に記載されているバイト数の合計値を記録する(ステップS36)。最後に処理済みの各データをフロー管理部130から削除する(ステップS37)。品質管理部160で管理されている管理データの一例を図13に示す。
In the determination of reception confirmation, if the sequence number of the TCP data packet is smaller than the ACK sequence number, it is assumed that the reception confirmation has been obtained (step S33). It is also assumed that the reception confirmation has been obtained when the SACK
帯域制御部110では、予め決められたポリシーに基づいて、ベストエフォート型フローと優先型フローに分類し、パケットを優先キュー112とBEキュー113にそれぞれ分けてキューイングを行う。帯域制御は、品質管理部160のデータ量とパケットロス数の統計データを用いて、前述した2つの方法のいずれかにより、帯域制限機能部114で用いるデータ量を決定する。
The
なお、上記の説明において上位ネットワーク・下位ネットワークとは、QoS制御システム100からみて端末1側が下位ネットワークであり、端末1の通信相手先側、すなわちインターネット30及びアプリケーション60側が上位ネットワークである点に留意されたい。
In the above description, the upper network and the lower network are the lower network on the
このように、本実施の形態に係る無線通信システムによれば、eNB20に機能追加をすることなしに、無線区間の輻輳を検知し、ベストエフォート型フローの帯域を制限することで、優先型フローがベストエフォート型フローの影響を受けてeNB20においてパケットが滞留することを防ぎ、結果として、優先型フローが低遅延な通信を実現することができる。
Thus, according to the radio communication system according to the present embodiment, the priority flow is detected by detecting congestion in the radio section and limiting the bandwidth of the best effort flow without adding a function to the
以上、本発明の一実施の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、モバイル網として3GPPで規定するLTEについて説明したが、他のアーキテクチャによるモバイル網であっても本発明を適用できる。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to this. For example, in the above embodiment, LTE defined by 3GPP has been described as a mobile network, but the present invention can also be applied to mobile networks based on other architectures.
10…EPC
20…eNB
30…インターネット
41…無線ベアラ
42…S1ベアラ
50…MEC(Mobile Edge Computing)プラットフォーム
100…QoS制御システム
110…帯域制御部110
120…TCPデータパケット処理部
130…フロー管理部
140…TCPACKパケット処理部
150…輻輳検知部
160…品質管理部
10 ... EPC
20 ... eNB
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
転送するTCPパケットを解析して無線区間におけるパケットロスの発生を検出するパケットロス検出手段と、
パケットロスが発生した場合にベストエフォート型フローの帯域を狭くするよう制御する帯域制御手段とを備えた
ことを特徴とするQoS制御システム。 A QoS control system comprising a radio base station and a core network and having a TCP packet transfer function arranged between the radio base station and the core network in a mobile network in which a priority flow and a best effort flow are mixed. ,
Packet loss detection means for analyzing the TCP packet to be transferred and detecting the occurrence of packet loss in the wireless section;
A QoS control system comprising: bandwidth control means for controlling the bandwidth of a best effort flow to be narrowed when a packet loss occurs.
ことを特徴とする請求項1記載のQoS制御システム。 The QoS control system according to claim 1, wherein the packet loss detection unit detects occurrence of a packet loss based on a sequence number and an ACK number of a TCP packet to be transferred.
ことを特徴とする請求項1記載のQoS制御システム。 The QoS control system according to claim 1, wherein the packet loss detection unit detects occurrence of a packet loss based on a sequence number and an ACK number of a TCP packet to be transferred and a sequence number of a SACK option.
前記QoS制御システムを前記プラットフォームに配置した
ことを特徴とする請求項1乃至3何れか1項記載のQoS制御システム。 The mobile network includes a platform having a packet transmission / reception function for a bearer formed between the radio base station and the core network,
The QoS control system according to any one of claims 1 to 3, wherein the QoS control system is arranged on the platform.
QoS制御システムのパケットロス検出手段が、転送するTCPパケットを解析して無線区間におけるパケットロスの発生を検出し、
QoS制御システムの帯域制御手段が、パケットロスが発生した場合にベストエフォート型フローの帯域を狭くするよう制御する
ことを特徴とするQoS制御方法。 In a mobile network including a radio base station and a core network and having a priority type flow and a best effort type flow mixed together, a QoS control system arranged between the radio base station and the core network performs QoS control for transferring a TCP packet. A QoS control method to perform,
The packet loss detection means of the QoS control system analyzes the TCP packet to be transferred and detects the occurrence of the packet loss in the wireless section,
A QoS control method, characterized in that the bandwidth control means of the QoS control system performs control so as to narrow the bandwidth of the best effort flow when packet loss occurs.
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