JP2021164047A - 制御装置、通信システム、制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アプリケーションの伝送に適した制御を実行する技術を提供する。
【解決手段】取得部２００は、複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得する。導出部２１０は、取得した通信特性からＱｏＥ推定値を導出する。最適化部２２０は、導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出する。学習エージェント２３０は、導出したＱｏＥ推定値と、取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出する。指示部２４０は、導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を複数の無線装置のそれぞれに指示する。
【選択図】図３

Description

本発明は、制御技術に関し、中継を制御する制御装置、通信システム、制御方法に関する。

無線装置間の無線通信では、例えば、無線媒体の伝搬環境要因の１つである伝搬損失に応じた変調方式あるいは符号化方式が選択されることによって、伝送速度が決定される。これは、ＯＳＩ参照モデルの物理層における制御といえる。また、複数の無線装置によりアドホックネットワークあるいはメッシュネットワークが形成される場合、２つ以上の無線装置を含む中継経路がされ、中継経路に沿って信号が転送される。中継経路には、最短経路あるいはランダムな経路が選択される（例えば、特許文献１参照）。これは、ＯＳＩ参照モデルのデータリンク層あるいはトランスポート層における制御といえる。

Ｅｎｏｍｏｔｏ， Ｍ．， Ｓｈｉｂａｔａ， Ｎ．， Ｙａｓｕｍｏｔｏ， Ｋ．， Ｉｔｏ， Ｍ． ａｎｄ Ｈｉｇｓｈｉｎｏ， Ｔ．、「Ａ Ｄｅｍａｎｄ−Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ ＭＡＮＥＴ」、Ｐｒｏｃ． ｏｆＩｎｔ’ｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｆｕｔｕｒｅ Ｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ Ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ−ｇｉｅｓ（ＦＭＵＩＴ ’０６）（２００６）

通信特性を向上させるために、物理層のみの伝搬環境にしたがって伝送速度が決定される。また、データリンク層あるいはトランスポート層などの通信特性である低遅延あるいは高スループットが得られるように中継経路が選択される。しかしながら、これらでは、ユーザが実際に利用するアプリケーションに対して高いパフォーマンスが得るように制御はされていない。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、アプリケーションの伝送に適した制御を実行する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の制御装置は、複数の無線装置により中継がなされる通信システムにおいて、複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御装置であって、複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得する取得部と、取得部において取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出する導出部と、導出部において導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出する最適化部と、最適化部において導出した中継経路の候補と、導出部において導出したＱｏＥ推定値と、取得部において取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出する学習エージェントと、学習エージェントにおいて導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を複数の無線装置のそれぞれに指示する指示部と、を備える。

本発明の別の態様は、通信システムである。この通信システムは、中継を実行可能な複数の無線装置と、複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御装置とを備える。制御装置は、複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得する取得部と、取得部において取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出する導出部と、導出部において導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出する最適化部と、最適化部において導出した中継経路の候補と、導出部において導出したＱｏＥ推定値と、取得部において取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出する学習エージェントと、学習エージェントにおいて導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を複数の無線装置のそれぞれに指示する指示部と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、制御方法である。この方法は、複数の無線装置により中継がなされる通信システムにおいて、複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御方法であって、複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得するステップと、取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出するステップと、導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出するステップと、導出した中継経路の候補と、導出したＱｏＥ推定値と、取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出するステップと、導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を複数の無線装置のそれぞれに指示するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、アプリケーションの伝送に適した制御を実行できる。

実施例に係る通信システムの構成を示す図である。 図１の無線装置の構成を示す図である。 図１の第４無線装置の構成を示す図である。 図１の通信システムによる処理手順を示すシーケンス図である。 図２の無線装置による処理手順を示すフローチャートである。 図３の第４無線装置による処理手順を示すフローチャートである。

本実施例を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本実施例は、複数の無線装置を含む通信システムに関する。通信システムでは、２つ以上の無線装置によって中継経路が経路が形成され、中継経路に沿って信号が伝送される。前述のごとく、アプリケーションの信号の伝送に適した制御が求められる。ここでは、一例として、アプリケーションが映像ストリーミングである場合を前提とする。映像ストリーミングのパフォーマンスとして主観的な体感品質を客観的に示すＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）指標がＩＴＵ−Ｔ勧告Ｇ．１０７１で規定されている。しかしながら、ＱｏＥ指標は、アドホックネットワークあるいはメッシュネットワークなどの中継経路選択のための制御として使用されていない。

一方、近年ではＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ：人工知能）、ディープラーニングをはじめとした機械学習による研究開発は盛んに行われ、無線通信分野でも取り組まれている。機械学習は、様々な分野に適用可能であるが、特に画像認識／識別などに適している。例えば、無線通信に機械学習を適用する場合、撮像装置によって撮像した画像から伝搬路の建物あるいは遮蔽物を学習・認識し、スループットの急峻な変化などが推定される。

しかしながら、伝搬誤り、干渉、伝送速度、ネットワークのルーティング遅延、パケット損失、スループットなどの無線通信特有の評価パラメータを機械学習に用いて、伝送速度を選択したり、中継経路を選択したりすることはなされていない。このように、伝搬環境や高いパフォーマンスが得られるための伝送速度と中継経路は、各レイヤで個別に評価され、それらの選択に使用されている。しかしながら、複数のレイヤを跨って評価された伝送速度と中継経路を使用して、伝送速度の選択あるいは中継経路の選択はなされていないので、全レイヤを考慮した伝送速度と中継経路からアプリケーションの最大パフォーマンスを得ることが望まれる。

本実施例では、無線通信における映像ストリーミングの通信品質を高くすることを目的とする。そのため、通信システムは、無線区間のパケット損失、遅延時間等を各無線装置で収集し、収集した情報を機械学習により、パフォーマンスが高くなるような伝送速度と中継経路を算出する。その際、機械学習における評価関数には、ユーザの映像ストリーミングおける主観的な体感品質を客観的パラメータで求めるＱｏＥ指標が使用される。

図１は、通信システム１０００の構成を示す。通信システム１０００は、無線装置１００と総称される第１無線装置１００ａから第７無線装置１００ｇを含む。通信システム１０００に含まれる無線装置１００の数は７に限定されない。

複数の無線装置１００のうちの１つが送信元の無線装置１００となり、別の１つが送信先の無線装置１００となり、残りが中継用の無線装置１００となる。例えば、第１無線装置１００ａが送信元の無線装置１００となり、第７無線装置１００ｇが送信先の無線装置１００となる場合、第２無線装置１００ｂから第６無線装置１００ｆが中継用の無線装置１００となる。その際、第１無線装置１００ａから送信されたパケット信号は、中継用の無線装置１００により中継がなされて第７無線装置１００ｇに受信される。送信元の無線装置１００と送信先の無線装置１００は、任意の無線装置１００でかまわない。このように、通信システム１０００では、複数の無線装置１００により中継がなされる。パケット信号の中継には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。

各無線装置１００に対して伝送速度と中継経路が設定される。ここで、伝送速度は、例えば、符号化方式、変調方式の組合せにより示され、中継経路は、送信元の無線装置１００から送信先の無線装置１００へ至る途中に含まれる中継用の無線装置１００の組合せにより示される。このような各無線装置１００の伝送速度と中継経路は、制御装置（図示せず）により制御される。制御装置は、複数の無線装置１００のいずれかに含まれる。例えば、制御装置は、第４無線装置１００ｄに含まれる。制御装置の構成はこれに限定されず、複数の無線装置１００のそれぞれに制御装置が含まれ、いずれかの無線装置１００に含まれる制御装置だけが動作してもよい。制御装置は、無線装置１００とは別に構成されてもよい。

図２は、無線装置１００の構成を示す。無線装置１００は、通信部１０、処理部２０、測定部３０、設定部４０を含む。通信部１０は、アンテナを介して無線通信を実行する。処理部２０は、通信部１０に接続されて、無線通信における各種処理を実行する。図２の無線装置１００が送信元の無線装置１００である場合、処理部２０は、送信すべきデータを通信部１０に出力する。通信部１０は、処理部２０からのデータを含めたパケット信号を生成してから、パケット信号に対して符号化・変調等を実行して、その結果のパケット信号をアンテナから送信する。

図２の無線装置１００が中継用の無線装置１００である場合、通信部１０は、アンテナを介してパケット信号を受信する。通信部１０は、パケット信号に対して復調、復号を実行することによってデータを取得する。通信部１０は、取得したデータを含めてパケット信号を生成してから、パケット信号に対して符号化・変調等を実行して、その結果のパケット信号をアンテナから送信する。

図２の無線装置１００が送信先の無線装置１００である場合、通信部１０は、アンテナを介してパケット信号を受信する。通信部１０は、パケット信号に対して復調、復号を実行することによってデータを取得する。通信部１０は、取得したデータを処理部２０に出力する。処理部２０は、通信部１０から受けつけたデータに対して所定の処理を実行する。

測定部３０は、通信部１０において受信したパケット信号に対して、伝搬誤り、パケット損失、干渉を測定する。これらの測定は、物理層における通信特性の測定に相当する。また、測定部３０は、通信部１０において受信したパケット信号に対して、ネットワークのルーティング遅延、スループットを測定する。これらの測定は、データリンク層あるいはトランスポート層における通信特性の測定に相当する。これらの測定には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。処理部２０は、測定部３０において測定した通信特性を通信部１０に出力し、通信部１０は、本無線装置１００の識別情報（以下、「ＩＤ」という）と通信特性とが含まれたパケット信号を送信する。当該パケット信号の送信先は第４無線装置１００ｄである。本無線装置１００が第４無線装置１００ｄに隣接しない場合、パケット信号は、他の無線装置１００によって第４無線装置１００ｄまで転送される。

設定部４０は、通信部１０を介して第４無線装置１００ｄからの伝送速度と中継経路の情報を受けつける。ここで、伝送速度の情報では、変調方式、符号化方式（符号化率）が示される。また、中継経路の情報では、中継経路に沿った無線装置１００が順に示される。設定部４０は、変調方式、符号化方式（符号化率）を通信部１０に設定することによって、通信部１０は、通信において変調方式、符号化方式（符号化率）を使用する。また、設定部４０は、中継経路のうち、本無線装置１００の前後に配置される２つの無線装置１００を特定し、通信部１０に対して、一方の無線装置１００からのパケット信号を受信させ、他方の無線装置１００にパケット信号を送信させる。さらに、設定部４０は、通信部１０のアンテナが方向を制御可能な指向性アンテナである場合、特定した２つの無線装置１００に向かうようにアンテナの指向性を制御する。

図３は、第４無線装置１００ｄの構成を示す。第４無線装置１００ｄでは、図２の無線装置１００の処理部２０に制御部５０が含まれる。制御部５０は、取得部２００、導出部２１０、最適化部２２０、学習エージェント２３０、指示部２４０を含む。制御部５０は前述の制御装置に相当する。第４無線装置１００ｄが送信元の無線装置１００である場合、あるいは中継用の無線装置１００である場合、あるいは送信先の無線装置１００である場合の処理はこれまでと同様であるので、ここでは説明を省略する。通信部１０は、複数の無線装置１００のそれぞれからパケット信号を受信する。当該パケット信号には、パケット信号を送信した無線装置１００において測定された通信特性とＩＤとが含まれる。通信部１０は、通信特性を処理部２０に出力する。

処理部２０の取得部２００は、複数の無線装置１００のそれぞれにおける通信特性を取得する。また、処理部２０は、複数の無線装置１００のそれぞれに対して既に出力した伝送速度と中継経路を保持しており、取得部２００は、複数の無線装置１００のそれぞれにおける伝送速度と中継経路を取得する。

導出部２１０は、取得部２００において取得した通信特性、例えば、複数の無線装置１００のそれぞれにおける通信特性、例えば、伝搬誤り、パケット損失、干渉をもとに、ＱｏＥ推定値を導出する。また、導出部２１０は、導出したＱｏＥ推定値と、過去に導出したＱｏＥ推定値との差異を導出する。

最適化部２２０は、導出したＱｏＥ推定値と、複数の無線装置１００のそれぞれにおける通信特性が高くなるように多目的最適化を実行する。多目的最適化では、例えば、パレート最適解が導出される。パレート最適解は、２つ以上の無線装置１００が含まれる中継経路の候補を示す。一般的に、複数の中継経路の候補が導出される。つまり、ＱｏＥ指標は、伝搬誤り、パケット損失、干渉等の通信システム１０００の通信特性から推定する客観品質評価手法における最適化手法の目的関数として導入される。

学習エージェント２３０は、導出部２１０において導出したＱｏＥ推定値の差異を報酬として、最適化部２２０において導出した中継経路の候補と、取得部２００において取得した伝送速度と通信特性とをもとに、機械学習を実行することによって、新たな伝送速度と中継経路を導出する。ここで、新たな伝送速度は、無線装置１００毎に導出される。また、中継経路では、前述のごとく、中継経路に沿った無線装置１００が順に示される。

指示部２４０は、学習エージェント２３０において導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を複数の無線装置１００のそれぞれに指示するために、新たな伝送速度と中継経路との情報を通信部１０に出力する。通信部１０は、新たな伝送速度と中継経路との情報が含まれたパケット信号を複数の無線装置１００のそれぞれに送信する。

この構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのＣＰＵ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ハードウエアとソフトウエアの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。

以上の構成による通信システム１０００の動作を説明する。図４は、通信システム１０００による処理手順を示すシーケンス図である。ここでは説明を明瞭にするために、一例として、通信システム１０００のうちの第２無線装置１００ｂから第４無線装置１００ｄだけを示す。第２無線装置１００ｂは通信特性を測定し（Ｓ１０）、第３無線装置１００ｃは通信特性を測定する（Ｓ１２）。第２無線装置１００ｂは通信特性を送信し（Ｓ１４）、第３無線装置１００ｃは通信特性を送信する（Ｓ１６）。第４無線装置１００ｄは伝送速度と中継経路とを導出する（Ｓ１８）。第４無線装置１００ｄは、伝送速度と中継経路を第２無線装置１００ｂに送信し（Ｓ２０）、伝送速度と中継経路を第３無線装置１００ｃに送信する（Ｓ２２）。第２無線装置１００ｂは伝送速度と中継経路を設定し（Ｓ２４）、第３無線装置１００ｃは伝送速度と中継経路を設定する（Ｓ２６）。

図５は、無線装置１００による処理手順を示すフローチャートである。測定部３０は通信特性を測定する（Ｓ１００）。通信部１０は通信特性を送信する（Ｓ１０２）。通信部１０が伝送速度、中継経路の情報を受信しなければ（Ｓ１０４のＮ）、待機する。通信部１０が伝送速度、中継経路の情報を受信した場合（Ｓ１０４のＹ）、設定部４０は、伝送速度、中継経路を設定する（Ｓ１０６）。

図６は、第４無線装置１００ｄによる処理手順を示すフローチャートである。取得部２００は、伝送速度、通信特性を取得する（Ｓ１５０）。導出部２１０はＱｏＥ推定値を導出する（Ｓ１５２）。最適化部２２０は、パレート最適解として中継経路の候補を導出する（Ｓ１５４）。学習エージェント２３０は、学習により、伝送速度と中継経路を導出する（Ｓ１５６）。指示部２４０は、伝送速度と中継経路の使用を指示する（Ｓ１５８）。

本実施例によれば、ＱｏＥ推定値を機械学習に使用して伝送速度と中継経路とを導出するので、ＱｏＥ指標が高くなるような伝送速度と中継経路とを導出できる。また、全レイヤの情報を機械学習に使用するので、ＱｏＥ指標が高くなるような伝送速度と中継経路とを導出できる。また、ＱｏＥ指標が高くなるような伝送速度と中継経路とを導出するので、伝搬環境が悪い、あるいは映像などのアプリケーションにおいてビートレートが低い場合にも、現状のネットワークで通信品質を高い状態に維持できる。また、機械学習の実行を継続するので、ネットワーク構成あるいは伝搬環境が変動した場合にも、伝送速度と中継経路とを自動的に調節できる。また、ＱｏＥ推定値の差異を導出するので、ＱｏＥ推定値を報酬に反映できる。また、制御装置は、複数の無線装置のいずれかに含まれるので、構成を容易にできる。

以上、本発明の実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０ 通信部、 ２０ 処理部、 ３０ 測定部、 ４０ 設定部、 ５０ 制御部、 １００ 無線装置、 ２００ 取得部、 ２１０ 導出部、 ２２０ 最適化部、 ２３０ 学習エージェント、 ２４０ 指示部、 １０００ 通信システム。

Claims (5)

1. 複数の無線装置により中継がなされる通信システムにおいて、複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御装置であって、
   前記複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得する取得部と、
   前記取得部において取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出する導出部と、
   前記導出部において導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出する最適化部と、
   前記最適化部において導出した中継経路の候補と、前記導出部において導出したＱｏＥ推定値と、前記取得部において取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出する学習エージェントと、
   前記学習エージェントにおいて導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を前記複数の無線装置のそれぞれに指示する指示部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記導出部は、導出したＱｏＥ推定値と、過去に導出したＱｏＥ推定値との差異を導出し、導出した差異を前記学習エージェントに出力し、
   前記学習エージェントは、前記最適化部において導出した中継経路の候補と、前記導出部において導出した差異と、前記取得部において取得した伝送速度と通信特性とを使用することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 本制御装置は、前記複数の無線装置のいずれかに含まれることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 中継を実行可能な複数の無線装置と、
   前記複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得する取得部と、
   前記取得部において取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出する導出部と、
   前記導出部において導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出する最適化部と、
   前記最適化部において導出した中継経路の候補と、前記導出部において導出したＱｏＥ推定値と、前記取得部において取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出する学習エージェントと、
   前記学習エージェントにおいて導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を前記複数の無線装置のそれぞれに指示する指示部と、
   を備えることを特徴とする通信システム。
5. 複数の無線装置により中継がなされる通信システムにおいて、複数の無線装置のそれぞれの伝送速度と中継経路とを制御する制御方法であって、
   前記複数の無線装置のそれぞれに対して、既に設定されている伝送速度と、測定された通信特性とを取得するステップと、
   取得した通信特性からＱｏＥ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ）推定値を導出するステップと、
   導出したＱｏＥ推定値と通信特性が高くなるように多目的最適化を実行することによって、２つ以上の無線装置が含まれる中継経路の候補を導出するステップと、
   導出した中継経路の候補と、導出したＱｏＥ推定値と、取得した伝送速度と通信特性とをもとに、新たな伝送速度と中継経路を導出するステップと、
   導出した新たな伝送速度と中継経路との使用を前記複数の無線装置のそれぞれに指示するステップと、
   を備えることを特徴とする制御方法。

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