JP2019041338A - 無線通信システム、無線通信方法および集中制御局 - Google Patents

Abstract

【課題】無線ＬＡＮの稠密環境において、無線基地局および無線端末のスループットの改善およびシステム全体のスループットを改善する。【解決手段】集中制御局は、情報収集部を介して複数の無線基地局および無線端末から取得した環境情報を、制御パラメータを生成する制御フローと、環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知し、制御フローにおいて、過去の環境情報−最適制御パラメータが紐付いたデータベースを参照するか、クラスタ分類器で環境情報を該当クラスタに分類し、該当クラスタ最適制御パラメータが紐付くデータベースを参照し、制御情報更新フローにおいて、データベースまたはクラスタ分類器を構成する内部パラメータの調整と該当クラスタ最適制御パラメータが紐付くデータベースを生成し、各々制御フローへ同期する。【選択図】 図６

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の稠密環境において、各無線局のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）制御に起因するスループットの低下を改善する無線通信システム、無線通信方法および集中制御局に関する。

近年、ノートパソコンやスマートフォン等の持ち運び可能で高性能な無線端末の普及により企業や公共スペースだけではなく、一般家庭でもIEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮが広く使われるようになっている。IEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮには、 2.4ＧHz帯を用いるIEEE802.11b/g/n 規格の無線ＬＡＮと、５ＧHz帯を用いるIEEE802.11a/n/ac規格の無線ＬＡＮがある。

IEEE802.11ｂ規格やIEEE802.11ｇ規格の無線ＬＡＮでは、2400ＭHzから2483.5ＭHz間に５ＭHz間隔で13チャネルが用意されている。ただし、同一場所で複数のチャネルを使用する際は、干渉を避けるためスペクトルが重ならないようにチャネルを使用すると最大で３チャネル、場合によっては４チャネルまで同時に使用できる。

IEEE802.11ａ規格の無線ＬＡＮでは、日本の場合は、5170ＭHzから5330ＭHz間と、5490ＭHzから5710ＭHz間で、それぞれ互いに重ならない８チャネルおよび11チャネルの合計19チャネルが規定されている。なお、IEEE802.11ａ規格では、チャネル当たりの帯域幅が20ＭHzに固定されている。

無線ＬＡＮの最大伝送速度は、IEEE802.11ｂ規格の場合は11Ｍbps であり、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格の場合は54Ｍbps である。ただし、ここでの伝送速度は物理レイヤ上での伝送速度である。実際にはＭＡＣ（Medium Access Control ）レイヤでの伝送効率が50〜70％程度であるため、実際のスループットの上限値はIEEE802.11ｂ規格では５Ｍbps 程度、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格では30Ｍbps 程度である。また、伝送速度は、情報を送信しようとする通信局が増えればさらに低下する。

一方で、有線ＬＡＮでは、Ethernet（登録商標）の100Base-T インタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home)の普及から、 100Ｍbps 〜１Ｇbps 級の高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのため、2009年に標準化が完了したIEEE802.11ｎ規格では、これまで20ＭHzと固定されていたチャネル帯域幅が最大で40ＭHzに拡大され、また、空間多重送信技術（ＭＩＭＯ：Multiple input multiple output）技術の導入が決定された。IEEE802.11ｎ規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で 600Ｍbps の通信速度を実現可能である。

さらに、2013年に標準化が完了したIEEE802.11ac規格では、チャネル帯域幅を80ＭHzや最大で 160ＭHzまで拡大することや、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）送信方法の導入が決定している（例えば、非特許文献１参照）。IEEE802.11ac規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で約 6.9Ｇbps の通信速度を実現可能である。

ただし、IEEE802.11ac規格においてチャネル帯域幅を40ＭHz、80ＭHz、 160ＭHzと広くする場合、５ＧHz帯において同一場所で同時に使えるチャネル数は、チャネル帯域幅が20ＭHzで19チャネルだったものが、９チャネル、４チャネル、２チャネルと少なくなる。すなわち、チャネル帯域幅が増加するにつれて、使えるチャネル数が低減することになる。

このように、同一場所で同時に使えるチャネル数は、通信に用いるチャネル帯域幅によって、 2.4ＧHz帯の無線ＬＡＮでは３つ、５ＧHz帯の無線ＬＡＮでは２つ，４つ，９つ，または19のチャネルになるので、実際に無線ＬＡＮを導入する際には無線基地局（アクセスポイント：ＡＰ）が自セル（ＢＳＳ：Basic Service Set ）内で使用するチャネルを選択する必要がある。

ここで、使用可能なチャネル数よりもＢＳＳ数が多い無線ＬＡＮの稠密環境では、複数のＢＳＳが同一チャネルを使うことになる（ＯＢＳＳ：Overlapping BSS ）。その場合、同一チャネルを使用するＢＳＳ間の干渉の影響により、当該ＢＳＳおよびシステム全体のスループットが低下することになる。そのため無線ＬＡＮでは、ＣＳＭＡ／ＣＡを用いて、キャリアセンスによりチャネルが空いているときにのみデータの送信を行う自律分散的なアクセス制御が使われている。

具体的には、送信要求が発生した通信局は、まず所定のセンシング期間（ＤＩＦＳ：Distributed Inter-Frame Space ）だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、この間に他の通信局による送信信号が存在しなければ、ランダム・バックオフを行う。通信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行うが、この間にも他の通信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権（ＴＸＯＰ：Transmission Opportunity）を得る。チャネルの利用権を得た通信局（ＴＸＯＰ Holder ）は、同一ＢＳＳ内の他の通信局にデータを送信し、またそれらの通信局からデータを受信できる。このようなＣＳＭＡ／ＣＡ制御を行う場合、同一チャネルを使用する無線ＬＡＮの稠密環境では、キャリアセンスによりチャネルがビジーになる頻度が高くなるため、送信機会（チャネルの利用権を得る機会）が低下し、スループットが低下することになる。したがって、周辺環境をモニタリングし、適切なチャネルを選択することが重要になる。

無線基地局におけるチャネルの選択方法は、IEEE802.11標準規格で定まっていないため、各ベンダーが独自の方法を採用しているが、最も一般的なチャネル選択方法としては、干渉電力の最も少ないチャネルを自律分散的に選択する方法がある。無線基地局は、一定期間すべてのチャネルについてキャリアセンスして最も干渉電力が小さいチャネルを選択し、選択したチャネル上で配下の端末装置とデータの送受信を行う。なお、干渉電力とは、近隣ＢＳＳや他システムから受信する信号のレベルであり、例えば、受信信号強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）により測定することができる。

ここで、無線基地局においてキャリアセンスを行うに当たり、受信信号強度（ＲＳＳＩ）を用いてチャネル使用状況を判断するＣＣＡ（Clear Channel Assessment）閾値が設定されている。例えばIEEE802.11規格では、２つのＣＣＡ閾値が規定されている。１つは、キャリアセンスして受信する無線フレームのプリアンブルを検出できた場合に用いるＣＣＡ−ＳＤ（Signal Detection）閾値であり、もう１つは、キャリアセンスして受信する受信信号において、無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出できなかった場合に用いるＣＣＡ−ＥＤ（Energy Detection）閾値である。IEEE802.11ａ規格では、ＣＣＡ−ＳＤ閾値は−82dBｍに設定され、ＣＣＡ−ＥＤ閾値は−62dBｍに設定される。

キャリアセンスにより、ＲＳＳＩがＣＣＡ−ＳＤ閾値以上で、かつ無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出した場合は、そのチャネルはビジー（通信不可）と判定する。また、キャリアセンスにより無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出できない場合でも、ＲＳＳＩがＣＣＡ−ＥＤ閾値以上の場合は、近隣ＢＳＳや他システムからの干渉波と見なしてそのチャネルはビジー（通信不可）と判定する。それ以外の場合は、チャネルがアイドル（通信可）と判定する。

また、IEEE802.11標準規格では、ＢＳＳ周辺の無線状況が変化した場合におけるチャネルの変更手順が規定されているが、基本的に、レーダ検出などによる強制移行以外は、一度選択したチャネルの再選択を行っていない。すなわち、現状無線ＬＡＮでは、無線状況の変化に応じたチャネルの最適化は行われていない。

IEEE 802.11ac Standard, December 2013.

近年の、トラヒックの急増や、無線基地局および無線端末の高密度化によりＢＳＳ間の干渉が深刻化している。これに対し、集中制御局を用いて周波数チャネルの割当や無線の強度指向性の制御、制御フレームの使用判断を集中制御によって設定することで一定の効果が得られることがわかっており、処理の高速化により制御の幅を拡げてゆくことが期待される。しかし、従来システムでは繰返し計算が必要であるため計算負荷が高く、無線局台数と制御パラメータの増加に伴い上記の傾向がより顕著化してゆくため、速い制御へ追随するのが困難であるという課題があった。

本発明は、無線ＬＡＮの稠密環境において、無線基地局および無線端末のスループットの改善およびシステム全体のスループットの改善ができる無線通信システム、無線通信方法および集中制御局を提供することを目的とする。

第１の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、複数の無線基地局または無線端末の周辺の環境情報および能力情報に応じて、各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する集中制御局とを備えた無線通信システムであって、複数の無線基地局および無線端末は、周辺の環境情報を取得して集中制御局に通知する環境情報通知手段を備え、集中制御局は、情報収集部を介して複数の無線基地局および無線端末から取得した環境情報を、制御パラメータを生成する制御フローと、環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理部と、制御フローに入力した環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類部と、制御情報更新フローに入力した過去に情報収集部で取得した全ての環境情報を記憶する情報記憶部と、情報記憶部に記憶された環境情報をもとに、情報分類部の内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成部と、情報分類部の出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出部と、情報分類部で分類された情報により、分類情報毎の最適制御パラメータ算出部で作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換部と、情報分類−最適制御パラメータ変換部より出力された最適制御パラメータを複数の無線基地局に対して割り当てる制御手段とを備える。

第１の発明の無線通信システムにおいて、情報分類部は、情報処理部よりベクトル化された複数の環境情報と、情報分類器生成部で更新された内部パラメータに含まれる分類毎に用意されたベクトルとの間の距離を算出し、近い距離の分類を優先的に選出し任意の個数分出力する構成である。

第１の発明の無線通信システムにおいて、情報分類−最適制御パラメータ変換部は、入力された任意の個数の全ての分類情報に対し、同期したデータベースを参照して紐付く最適制御パラメータを求め、その中から最も情報分類部にて環境情報と最近接の分類のものだけを出力する手段１と、複数の最適制御パラメータについてのみ再度最適化指標を再計算し最大化するものを出力する手段２と、手段１および手段２で優先度の高いものから順に任意の個数の最適制御パラメータをリスト化し出力する手段３とを含む。

第１の発明の無線通信システムにおいて、情報分類器生成部は、情報分類部へ情報記憶部に記憶された全環境情報を同期する手段と、クラスタリング処理により少数のクラスタパラメータを同期する手段とを含む。

第１の発明の無線通信システムにおいて、情報処理部は、環境情報を次元圧縮した特徴量ベクトルに変換して出力する手段を含む。

第１の発明の無線通信システムにおいて、分類情報毎の最適制御パラメータ算出部は、入力された情報記憶部に記憶される全環境情報に対する最適化指標を算出する手段１と、各クラスタに対してその平均値に対する最適化指標を算出する手段２と、各クラスタより環境情報を生成しそれに対する最適化指標を算出する手段３と、各手段１，２，３に対して最適化指標を最大化する最適制御パラメータを算出する手段４とを含む。

第２の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局に接続される集中制御局が、複数の無線基地局または無線端末の周辺の環境情報および能力情報に応じて、各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する無線通信方法であって、複数の無線基地局および無線端末は、周辺の環境情報を取得して集中制御局に通知する処理を行い、集中制御局は、複数の無線基地局および無線端末から取得した環境情報を、制御パラメータを生成する制御フローと、環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理ステップと、制御フローに入力した環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類ステップと、制御情報更新フローに入力した過去に取得した全ての環境情報を記憶する情報記憶ステップと、情報記憶ステップで記憶された環境情報をもとに、情報分類ステップの内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成ステップと、情報分類ステップの出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出ステップと、情報分類ステップで分類された情報により、分類情報毎の最適制御パラメータ算出ステップで作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換ステップと、情報分類−最適制御パラメータ変換ステップより出力された最適制御パラメータを複数の無線基地局に対して割り当てる制御ステップとを有する。

第３の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、複数の無線基地局または無線端末の周辺の環境情報および能力情報を取得し、それに応じて各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する集中制御局とを備えた無線通信システムの集中制御局であって、情報収集部を介して複数の無線基地局および無線端末から取得した環境情報を、制御パラメータを生成する制御フローと、環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理部と、制御フローに入力した環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類部と、制御情報更新フローに入力した過去に情報収集部で取得した全ての環境情報を記憶する情報記憶部と、情報記憶部に記憶された環境情報をもとに、情報分類部の内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成部と、情報分類部の出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出部と、情報分類部で分類された情報により、分類情報毎の最適制御パラメータ算出部で作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換部と、情報分類−最適制御パラメータ変換部より出力された最適制御パラメータを複数の無線基地局に対して割り当てる制御手段とを備える。

本発明は、制御フローにおいて、過去の環境情報−最適制御パラメータが紐付いたデータベースを参照するか、クラスタ分類器で環境情報を該当クラスタに分類し、該当クラスタ最適制御パラメータが紐付くデータベースを参照し、制御情報更新フローにおいて、データベースまたはクラスタ分類器を構成する内部パラメータの調整と該当クラスタ最適制御パラメータが紐付くデータベースを生成し、各々制御フローへ同期する。

これにより、環境情報を取得するごとに最適制御パラメータを算出する必要がなくなり、最適制御パラメータの取得時間を短縮できるので、無線ＬＡＮの稠密環境においても無線基地局および無線端末のスループットの改善およびシステム全体のスループットの改善ができる。

本発明の無線通信システムの実施例構成を示す図である。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の構成例を示す図である。 本発明の無線通信システムにおける無線基地局３の構成例を示す図である。 本発明の無線通信システムにおける無線端末５の構成例を示す図である。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例１を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例２を示すフローチャートである。 集中制御局１の制御例２の具体例を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例３を示すフローチャートである。 集中制御局１の制御例３の具体例を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例４を示すフローチャートである。 本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例５を示すフローチャートである。 従来の制御例を示すフローチャートである。 無線基地局ＡＰの送信電力とチャネル同時制御の計算機シミュレーションの諸元を示す図である。 計算機シミュレーションの結果を示す図である。

図１は、本発明の無線通信システムの実施例構成を示す。
図１において、無線基地局（ＡＰ）３〜４は、それぞれ帰属する無線端末（ＳＴＡ）と無線通信を行う。ここでは、無線端末５〜６が無線基地局３に帰属している。無線基地局３〜４は、ネットワーク２を介して集中制御局１（制御エンジン) に接続される。集中制御局１は、無線基地局３〜４または無線端末５〜６から環境情報（無線環境情報，トラヒック情報，現設定情報）および能力情報を収集し、環境情報に基づいて同一周波数で同時送信が可能な複数の無線基地局の各種パラメータ組合せごとの予測性能を算出し、その見込みが最大となる制御パラメータを決定し、無線基地局３〜４および無線端末５〜６を制御する。これにより、従来のＣＳＭＡ／ＣＡによるアクセス制御と異なり、複数の無線基地局が同一周波数で同時送信する機会が増え、無線基地局および無線端末のスループットの改善およびシステム全体のスループットを改善することができる。ここで能力情報とは、各無線局の対応無線規格や接続可能端末台数を含む仕様に関する情報を含む情報を指す。

また、環境情報には、配下の全無線基地局と全無線端末の間の無線信号強度情報、位置座標情報、トラヒック情報を含んでもよい。

また、制御パラメータの最適化指標には、配下の全無線基地局と全無線端末の間の上下チャネル容量、上下総スループット、上下総遅延時間、上下総遅延揺らぎ、帰属端末台数を含んでもよい。

また、制御パラメータには、配下の全無線基地局と全無線端末の間のチャネル、帯域幅、送信電力、受信電力閾値、送受信ウェイト、送受信アンテナ、ＲＴＳ／ＣＴＳフレームの使用可否、フレームアグリゲーション数を含んでもよい。

図２は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の構成例を示す。
図２において、集中制御局１は、接続部１０１と、通信部１０２と、制御部１０３と、情報収集部１０４と、情報処理部１０５と、情報記憶部１０６と、情報分類部１０７と、情報分類器生成部１０８と、分類情報毎の最適制御パラメータ算出部１０９と、情報分類−最適制御パラメータ変換部１１０を備える。ここで分類情報とは、無線端末５〜６の配置パターンや使用されているアプリケーションの種類など、現在提供している無線通信システムの環境の特定と分類が可能な情報を指す。

通信部１０２は、接続部１０１を介して無線基地局３〜４および無線端末５〜６と通信を行う。情報収集部１０４は、無線通信システム内に存在する制御対象の無線基地局３〜４または無線端末５〜６から、環境情報（無線環境情報，トラヒック情報，現設定情報）を収集する。情報処理部１０５は、環境情報のベクトル化や特徴量ベクトルへの変換処理、平均化処理、最新化などを行う。情報記憶部１０６は、情報処理部１０５が出力した環境情報を保持する。情報分類部１０７は、情報処理部１０５が出力した環境情報を参照し、それが帰属する分類情報を出力する。情報分類器生成部１０８は、情報記憶部１０６に記憶された環境情報をもとに情報分類部１０７のクラスタリング処理により少数のクラスタパラメータを調整し同期する。分類情報毎の最適制御パラメータ算出部１０９は、情報分類部１０７の出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成し、情報分類−最適制御パラメータ変換部１１０へ同期する。情報分類−最適制御パラメータ変換部１１０は、情報分類部１０７で分類された情報により、分類情報毎の最適制御パラメータ算出部１０９で作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する。制御部１０３は、無線基地局３〜４および無線端末５〜６の各情報の収集、無線基地局３〜４の設定パラメータ値の算出を含む集中制御局１の動作を統括して制御する。

図３は、本発明の無線通信システムにおける無線基地局３の構成例を示す。なお、無線基地局４も同様の構成である。
図３において、無線基地局３は、接続部３１と、通信部３２と、制御部３３と、環境情報保持部３４と、パラメータ設定部３５と、アクセス権獲得部３６と、無線通信部３７と、アンテナ部３８とを備える。

通信部３２は、接続部３１を介してネットワーク２上の集中制御局１と通信を行う。環境情報保持部３４は、定期的に無線基地局周辺をスキャンして取得した環境情報を保持する。ここで環境情報には、利用可能なそれぞれのチャネルにおいて存在する他の無線基地局の数および識別情報、他の無線基地局から受信するビーコンなどの信号のＲＳＳＩなどが含まれる。さらに、自セル内の端末装置数や各端末装置から受信する信号のＲＳＳＩ、ＳＩＮＲなども含まれる。パラメータ設定部３５は、集中制御局１より通知されたパラメータを設定する。アクセス権獲得部３６は、ＣＳＭＡ／ＣＡによるアクセス権を獲得する。無線通信部３７は、パラメータ設定部３５より設定されたパラメータを使用し、ＣＳＭＡ／ＣＡによるアクセス権を獲得してアンテナ部３８を介して帰属する端末装置と無線通信を行う。また、無線通信部３７は、無線通信において利用可能なチャネルそれぞれに対して、予め定められた期間スキャンし、得られた周辺の環境情報を環境情報保持部３４に出力する。制御部３３は、無線基地局３の動作を統括して制御する。

図４は、本発明の無線通信システムにおける無線端末５の構成例を示す。なお、無線端末６も同様の構成である。
図４において、無線端末５は、制御部５１と、環境情報保持部５２と、アクセス権獲得部５３と、無線通信部５４と、アンテナ部５５とを備える。

環境情報保持部５２は、定期的に無線端末周辺をスキャンして取得した環境情報を保持する。ここで、環境情報には、利用可能なそれぞれのチャネルにおいて存在する他の無線基地局の数や識別情報、他の無線基地局から受信するビーコンなどの信号のＲＳＳＩなどが含まれる。さらに、帰属する無線基地局から受信する信号のＲＳＳＩ、ＳＩＮＲなども含まれる。アクセス権獲得部５３は、ＣＳＭＡ／ＣＡによるアクセス権を獲得する。無線通信部５４は、アンテナ部５５を介して無線基地局と無線通信を行う。また、無線通信部５４は、無線通信において利用可能なチャネルそれぞれに対して、予め定められた期間スキャンし、得られた周辺の環境情報を環境情報保持部５２に出力する。制御部５１は、無線端末５の動作を統括して制御する。

（集中制御局の処理手順）
本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の処理手順の概要は、図１に示すように、集中制御局１は、接続している無線基地局３からの環境情報（無線環境情報，トラヒック情報，現設定情報）を収集し、図２における構成により制御演算を行ったのち、制御指示を通知する手段を持つ。

（集中制御局の処理手順）
図５は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例１を示す。
全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は環境情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した環境情報をこの２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての環境情報とそれに紐付く最適制御パラメータの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した環境情報は、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ａ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての環境情報が記録されている。次に、過去の全ての環境情報に対し、最適制御パラメータを算出し、対応する環境情報と紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ａ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ10ａで入力した環境情報と、過去に取得した全ての環境情報の間の距離を計算して最も近い環境情報に紐付けて管理される最適制御パラメータを参照し（Ｓ13ａ）、この最適制御パラメータを配信する（Ｓ15ａ）。

図６は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例２を示す。
図５に示す制御例１からの変更点は、最適制御パラメータと紐付ける対象を環境情報から、同情報をもとに分類されるクラスタ情報としたことである。これにより、制御フローで参照する比較対象数が減るため、同フローでの処理が軽くなる。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は環境情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した環境情報をこの２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての環境情報とそれに紐付く最適制御パラメータの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した環境情報は、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ａ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての環境情報が記録されている。次に、情報記憶部１０６の過去の全ての環境情報を用いて、クラスタ分類器を構成する内部パラメータを学習し同期する（Ｓ22ａ）。次に、クラスタ分類器の出力候補となる各クラスタに対し、最適制御パラメータを算出し、対応するクラスタと紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ｂ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ22ａにおけるクラスタ分類器に環境情報を入力して該当クラスタへ帰属させ（Ｓ12ａ）、同クラスタに紐付けて管理される最適制御パラメータを参照し（Ｓ13ｂ）、この最適制御パラメータを配信する（Ｓ15ａ）。

図７は、集中制御局１の制御例２の具体例を示す。
ここでは、具体的な最適化指標と入出力情報の例として、最適化指標に無線システムのチャネル容量、入力情報に無線端末の位置情報、出力情報に最適チャネル・送信電力組合せ、を適用したものである。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は無線端末の位置情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した無線端末の位置情報をこの２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての無線端末の位置情報を用いて学習したクラスタ分類器とそれに紐付く最適チャネル・送信電力組合せの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した無線端末の位置情報は、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ａ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての無線端末の位置情報が記録されている。次に、情報記憶部１０６の過去の全ての無線端末の位置情報を用いて、クラスタ分類器を構成する内部パラメータを学習し同期する（Ｓ22ａ）。次に、クラスタ分類器の出力候補となる各クラスタに対し、システムのチャネル容量を最大とする最適チャネル・送信電力組合せを算出し、対応するクラスタと紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ｂ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ22ａにおけるクラスタ分類器に無線端末の位置情報を入力して該当クラスタへ帰属させ（Ｓ12ａ）、同クラスタに紐付けて管理される最適チャネル・送信電力組合せを参照し（Ｓ13ｂ）、この最適チャネル・送信電力組合せを配信する（Ｓ15ａ）。

図８は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例３を示す。
図６に示す制御例２からの変更点は、２つのフローへの入力を、環境情報の生データから特徴量ベクトルへ変換してから行うとしたことである。これにより、データ長の規格化や雑音となる要素の削減が可能となる。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は環境情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した環境情報を特徴量ベクトルへ変換したのち（Ｓ11ａ）、この２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての特徴量ベクトルを用いて学習されたクラスタ分類器とそれに紐付く最適制御パラメータの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した特徴量ベクトルは、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ｂ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての特徴量ベクトルが記録されている。次に、情報記憶部１０６の過去の全ての特徴量ベクトルを用いて、クラスタ分類器を構成する内部パラメータを学習し同期する（Ｓ22ｂ）。次に、クラスタ分類器の出力候補となる各クラスタに対し、最適制御パラメータを算出し、対応するクラスタと紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ｂ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ22ｂにおけるクラスタ分類器に特徴量ベクトルを入力して該当クラスタへ帰属させ（Ｓ12ｂ）、同クラスタに紐付けて管理される最適制御パラメータを参照し（Ｓ13ｂ）、この最適制御パラメータを配信する（Ｓ15ａ）。

図９は、集中制御局１の制御例３の具体例を示す。
ここでは、具体的な最適化指標と入出力情報の例として、最適化指標に無線システムのチャネル容量、入力情報に無線端末の位置情報、特徴量ベクトルとして無線端末の空間分布情報、出力情報に最適チャネル・送信電力組合せ、を適用したものである。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は無線端末の位置情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した無線端末の位置情報を無線端末の空間分布情報へ変換したのち（Ｓ11ａ）、この２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての無線端末の空間分布情報を用いて学習されたクラスタ分類器とそれに紐付く最適チャネル・送信電力組合せの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した無線端末の空間分布情報は、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ｂ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての無線端末の空間分布情報が記録されている。次に、情報記憶部１０６の過去の全ての無線端末の空間分布情報を用いて、クラスタ分類器を構成する内部パラメータを学習し同期する（Ｓ22ｂ）。次に、クラスタ分類器の出力候補となる各クラスタに対し、最適チャネル・送信電力組合せを算出し、対応するクラスタと紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ｂ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ22ｂにおけるクラスタ分類器に無線端末の空間分布情報を入力して該当クラスタへ帰属させ（Ｓ12ｂ）、同クラスタに紐付けて管理される最適チャネル・送信電力組合せを参照し（Ｓ13ｂ）、この最適チャネル・送信電力組合せを配信する（Ｓ15ａ）。

図１０は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例４を示す。
図６に示す制御例２からの変更点は、クラスタ分類器より出力されるクラスタを任意の数だけ出力し、複数の各クラスタに紐付く最適制御パラメータにおける最適化指標を再度算出して、同指標を最適にするものを真の最適制御パラメータとして選出できるようにしたことである。これにより、環境情報にのる雑音により不適当なクラスタに分類されてしまう場合にも対処が可能となる。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は環境情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した環境情報をこの２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、後に制御フローで参照する、過去に取得した全ての環境情報を用いて学習されたクラスタ分類器とそれに紐付く最適制御パラメータの情報の全ての管理と算出を行い、適宜制御フローへ同期する。制御情報更新フローに入力した環境情報は、情報記憶部１０６へ記録する（Ｓ21ａ）。情報記憶部１０６には、同様に取得された過去の全ての環境情報が記録されている。次に、情報記憶部１０６の過去の全ての環境情報を用いて、クラスタ分類器を構成する内部パラメータを学習し同期する（Ｓ22ａ）。次に、クラスタ分類器の出力候補となる各クラスタに対し、最適制御パラメータを算出し、対応するクラスタと紐付けてデータベースを作成し（Ｓ23ｂ）、制御フローへ同期する。

制御フローは、Ｓ22ａにおけるクラスタ分類器に入力する環境情報に近いものからクラスタをＮ個選択し（Ｓ12ｃ）、Ｎ個のクラスタについて紐付けて管理される最適制御パラメータを参照する（Ｓ13ｂ）。次に、Ｎ個のクラスタの最適制御パラメータ入力時の最適化指標を再計算し、最大化させる最適制御パラメータを真の最適制御パラメータとして選出し（Ｓ14ａ）、この最適制御パラメータを配信する（Ｓ15ａ）。

図１１は、本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例５を示す。
図１０に示す制御例４からの変更点は、クラスタ分類器より出力されるクラスタを任意の数だけ出力して各クラスタに関する最適制御パラメータを参照した上で、それらをリスト化して配信することである。これにより、集中制御局から一意に設定パラメータを与えるのではなく、制約条件の中で配下の無線基地局と無線端末に裁量を持たせることができる。

全体構成は、制御フローと制御情報更新フローとに２分化される。集中制御局１は環境情報を取得し（Ｓ10ａ）、取得した環境情報をこの２つのフローに入力する。制御情報更新フローは、図１１に示す制御例４と同様である。

制御フローは、Ｓ22ａにおけるクラスタ分類器に入力する環境情報に近いものからクラスタをＮ個選択し（Ｓ12ｃ）、Ｎ個のクラスタについて紐付けて管理される最適制御パラメータを参照する（Ｓ13ｂ）。次に、Ｎ個のクラスタの最適制御パラメータを使用可能な選択肢としてリスト化し（Ｓ14ｂ）、この最適制御パラメータのリストを配信する（Ｓ15ｂ）。

図１２は、従来の制御例を示す。
ここでは、図６に示す本発明の無線通信システムにおける集中制御局１の制御例１と、図１２に示す従来の制御例とを対比して説明する。

主な違いは、制御演算の中で最も計算負荷の高い最適化計算（Ｓ2 ，Ｓ21ａ）が、環境の変化に対して最適制御パラメータを算出し配信する制御フローに組み込まれているか否かである。従来の制御例では、Ｓ2 が制御フローに組み込まれていた。したがって、環境が変化するたびに高負荷の計算を実施するものであり、計算時間の短縮にも限界があるため、速い制御に不向きな構造となっている。

一方で、本発明の制御例１では、Ｓ21ａを制御フローから切り離してバックグランドで動作する制御情報更新フローに組み込んである。環境の変化に対し最適化計算を要さなくなるため、制御速度とは無関係になる。代わりに、想定される環境について、Ｓ23ａにて最適化計算の結果を事前に算出しておき、制御フローでは、この最適化計算の結果の中から類似環境におけるものを分類アルゴリズム（Ｓ12ａ）を利用して選択できるようにしておく。分類アルゴリズムは最適化計算と比較して軽負荷である。したがって、提案システムは課題であった環境変化への制御の追従に向いた構造となっている。

本発明手法による効果の検証に用いた無線ＬＡＮシステムの無線基地局ＡＰの送信電力とチャネル同時制御の計算機シミュレーションについて、図１３および図１４を参照して説明する。

図１３は、無線基地局ＡＰの送信電力とチャネル同時制御の計算機シミュレーションの諸元を示す。
中心座標の異なるガウス分布の端末密度関数を３種類用意し、各端末密度関数から 100パターンの端末配置を生成して、計 300パターンの端末配置を用意した。そのうち、ランダムに選択した 200パターンを用いてクラスタを分類するための分類器を学習させ、残りの 100パターンを性能評価に用いた。各端末配置における環境情報には、関数近似により算出した分布の中心座標と分散を用いた。各環境種別に紐づく制御パラメータは、その環境種別に属する端末密度関数から１パターンの端末配置を生成し、そのチャネル容量を目的関数とした最適化計算により算出した。最適化計算の終了は、最適化アルゴリズムの１つである、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）により制御パラメータの探索を実施し、計算が収束するまでとした。

図１４は、計算機シミュレーションの結果を示す。
図１４(1) は、ある１パターンの評価用の端末配置について各手法で制御パラメータを選択し設定した時のチャネル容量の遷移である。横軸は制御パラメータの探索回数、縦軸がチャネル容量でＧＡの収束値で規格化してある。

細実線は、ランダムに制御パラメータを探索させた時の最高値を示す。太実線は、ＧＡで制御パラメータを探索させた時の最高値を示す。太点線は、クラスタ分類器で選択された制御パラメータを割り当てたときの値を示す。細点線は、他のクラスタの制御パラメータを割り当てたときの値を示す。従来手法は、制御パラメータ探索により最適解を求める実線にあたり、本発明手法は太点線にあたる。本発明手法により未知の端末配置に対して、探索をすることなく実線、特にＧＡと同等の結果が得られることがわかる。

図１４(2) は、 100パターンの評価用の端末配置について各手法で制御パラメータを選択し設定した時のチャネル容量の累積分布関数である。横軸の値は、各端末配置についてＧＡにより制御パラメータを算出した時の値で規格化してある。

太実線は、環境種別の分類により過去に算出された１組の制御パラメータを選択した時の値を示す。細実線は、ＧＡの収束回数と同じだけランダムに制御パラメータを探索させた時の最高値を示す。細点線は、１組の制御パラメータを選択した時の値を示す。本発明手法を用いれば、ＧＡとおおよそ同等で、ランダムに探索し続けるよりも高品質な制御パラメータを１回の探索で選択できることがわかる。

１ 集中制御局
２ ネットワーク
３〜４ 無線基地局
５〜６ 無線端末
１０１ 接続部
１０２ 通信部
１０３ 制御部
１０４ 情報収集部
１０５ 情報処理部
１０６ 情報記憶部
１０７ 情報分類部
１０８ 情報分類器生成部
１０９ 分類情報毎の最適制御パラメータ算出部
１１０ 情報分類−最適制御パラメータ変換部
３１ 接続部
３２ 通信部
３３ 制御部
３４ 環境情報保持部
３５ パラメータ設定部
３６ アクセス権獲得部
３７ 無線通信部
３８ アンテナ部
５１ 制御部
５２ 環境情報保持部
５３ アクセス権獲得部
５４ 無線通信部
５５ アンテナ部

Claims (8)

1. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、
   前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の環境情報および能力情報に応じて、各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する集中制御局と
   を備えた無線通信システムであって、
   前記複数の無線基地局および前記無線端末は、前記周辺の環境情報を取得して前記集中制御局に通知する環境情報通知手段を備え、
   前記集中制御局は、
   情報収集部を介して前記複数の無線基地局および前記無線端末から取得した前記環境情報を、前記制御パラメータを生成する制御フローと、前記環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理部と、
   前記制御フローに入力した前記環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類部と、
   前記制御情報更新フローに入力した過去に前記情報収集部で取得した全ての前記環境情報を記憶する情報記憶部と、
   前記情報記憶部に記憶された前記環境情報をもとに、前記情報分類部の内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成部と、
   前記情報分類部の出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出部と、
   情報分類部で分類された情報により、前記分類情報毎の最適制御パラメータ算出部で作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換部と、
   前記情報分類−最適制御パラメータ変換部より出力された前記最適制御パラメータを前記複数の無線基地局に対して割り当てる制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記情報分類部は、前記情報処理部よりベクトル化された複数の環境情報と、前記情報分類器生成部で更新された前記内部パラメータに含まれる分類毎に用意されたベクトルとの間の距離を算出し、近い距離の分類を優先的に選出し任意の個数分出力する構成である ことを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記情報分類−最適制御パラメータ変換部は、
   入力された任意の個数の全ての分類情報に対し、同期した前記データベースを参照して紐付く最適制御パラメータを求め、その中から最も前記情報分類部にて前記環境情報と最近接の分類のものだけを出力する手段１と、
   前記複数の最適制御パラメータについてのみ再度最適化指標を再計算し最大化するものを出力する手段２と、
   前記手段１および前記手段２で優先度の高いものから順に任意の個数の最適制御パラメータをリスト化し出力する手段３と
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記情報分類器生成部は、
   前記情報分類部へ前記情報記憶部に記憶された全環境情報を同期する手段と、
   クラスタリング処理により少数のクラスタパラメータを同期する手段と
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記情報処理部は、前記環境情報を次元圧縮した特徴量ベクトルに変換して出力する手段を含む
   ことを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記分類情報毎の最適制御パラメータ算出部は、
   入力された前記情報記憶部に記憶される全環境情報に対する前記最適化指標を算出する手段１と、
   各クラスタに対してその平均値に対する前記最適化指標を算出する手段２と、
   各クラスタより環境情報を生成しそれに対する前記最適化指標を算出する手段３と、
   前記各手段１，２，３に対して前記最適化指標を最大化する最適制御パラメータを算出する手段４と
   を含むことを特徴とする無線通信システム。
7. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局に接続される集中制御局が、前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の環境情報および能力情報に応じて、各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する無線通信方法であって、
   前記複数の無線基地局および前記無線端末は、前記周辺の環境情報を取得して前記集中制御局に通知する処理を行い、
   前記集中制御局は、
   前記複数の無線基地局および前記無線端末から取得した前記環境情報を、前記制御パラメータを生成する制御フローと、前記環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理ステップと、
   前記制御フローに入力した前記環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類ステップと、
   前記制御情報更新フローに入力した過去に取得した全ての前記環境情報を記憶する情報記憶ステップと、
   前記情報記憶ステップで記憶された前記環境情報をもとに、前記情報分類ステップの内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成ステップと、
   前記情報分類ステップの出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出ステップと、
   情報分類ステップで分類された情報により、前記分類情報毎の最適制御パラメータ算出ステップで作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換ステップと、
   前記情報分類−最適制御パラメータ変換ステップより出力された前記最適制御パラメータを前記複数の無線基地局に対して割り当てる制御ステップと
   を有することを特徴とする無線通信方法。
8. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、
   前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の環境情報および能力情報を取得し、それに応じて各無線基地局の通信制御に用いる制御パラメータを制御する集中制御局と
   を備えた無線通信システムの集中制御局であって、
   情報収集部を介して前記複数の無線基地局および前記無線端末から取得した前記環境情報を、前記制御パラメータを生成する制御フローと、前記環境情報に紐付けて最適制御パラメータを管理する制御情報更新フローに通知する情報処理部と、
   前記制御フローに入力した前記環境情報に帰属する分類情報を出力する情報分類部と、
   前記制御情報更新フローに入力した過去に前記情報収集部で取得した全ての前記環境情報を記憶する情報記憶部と、
   前記情報記憶部に記憶された前記環境情報をもとに、前記情報分類部の内部パラメータを調整し更新する情報分類器生成部と、
   前記情報分類部の出力候補となる各分類に対して、最適化指標を最大とするような最適制御パラメータを算出し、分類と最適制御パラメータを紐付けてデータベースを作成する分類情報毎の最適制御パラメータ算出部と、
   情報分類部で分類された情報により、前記分類情報毎の最適制御パラメータ算出部で作成されたデータベースから紐付く最適制御パラメータを参照して出力する情報分類−最適制御パラメータ変換部と、
   前記情報分類−最適制御パラメータ変換部より出力された前記最適制御パラメータを前記複数の無線基地局に対して割り当てる制御手段と
   を備えたことを特徴とする集中制御局。

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