JP3621428B2 - パケット送信方法、パケット送信装置、無線フレーム伝送方法、移動体通信方法、移動体通信システム、および交換局 - Google Patents
パケット送信方法、パケット送信装置、無線フレーム伝送方法、移動体通信方法、移動体通信システム、および交換局 Download PDFInfo
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Description
技術分野
この発明は、複数のコネクションからなるパケットを、複数のコネクションが共通使用する伝送リンクへ多重するのに好適なパケット送信方法、パケット送信装置、無線フレーム伝送方法、移動体通信方法、移動体通信システム、および交換局に関する。
技術背景
データ通信においては、複数コネクションからのデータパケットを複数コネクションが共通使用する伝送リンクへ多重して送信するパケット送信方法が知られている。従来のパケット送信方法にあっては、伝送リンクが空きの状態であるか否かを検知する。そして、空き状態ならばパケットをそのまま送出し、一方、他のパケットが送信中で伝送リンクに空きがない場合には、伝送リンクが空き状態になるまでパケット送出の待ち合わせを行うといった制御を行っている。仮に各コネクションのパケットの生起パターンがランダムであり、かつコネクション数が十分多ければ、このパケット送信方法によって、多重送信におけるパケット衝突確率が平均化される。このため、衝突確率に平均的な値を用い、ある程度のマージンを持たせた伝送リンクを用意しておく。これにより、全てのコネクションに提供する最大レートを足し合わせた伝送帯域の伝送リンクを用意しなくても、実質的には遅延増加などのサービス低下が生じない。
したがって、伝送サービス提供者は統計多重効果を見込んで設備設計をすることができるので、コストを低減することが可能である。このような統計多重効果を見込んだ設備設計にあっては、以下の２点が前提条件となっている。
１）対象とするサービスが、パケット多重送信部で多少待ち合わせを行っても支障がないような遅延条件が比較的緩いものであること。
２）パケット多重送信部に入力されるパケットのトラヒック特性が平均的でバーストトラヒックが生じないこと。
ところで、データ通信では、遅延条件が厳しいデータや周期的に生起するデータを伝送することもある。
遅延条件が厳しい例としては、音声通信やテレビ会議システムの画像データなどのように、伝送データの遅延がそのままタイムラグとしてユーザに認知されてしまうようなサービスが挙げられる。
また、データが周期的な生起特性を持つものとしては、高能率符号化データの伝送がある。これらの符号化データの送信側では、ユーザの音声情報や動画像情報などを圧縮することによって固定長または可変長のデータに変換し、変換されたデータを周期的に伝送あるいは一定の周期で間欠的に送信する場合がある。受信側では、受信した符号化データに基づいて連続的な元のユーザの音声や動画像情報を復元する。
また、周期的なデータ生起特性を持つ他の例として、無線リンクを介した通信がある。無線伝送においては、無線リンクに周期的な無線フレームを構成し、この無線フレーム内にデータを格納して伝送することが行われる。この場合には、一般的に、１ユーザの通信はこの無線フレーム周期で行われる。このため、無線リンクの終端部におけるデータの送受信タイミングは、無線フレーム周期に依存する。例えば、日本のデジタル移動通信におけるPDCシステムにあっては、280bitの容量を持つタイムスロットを６チャンネル合わせて40ms毎に無線フレームを構成し、さらに無線フレームを18フレーム合わせた720msのスーパー無線フレームを構成している。この無線フレーム構成において、Ｖ−SELP（vector sum excited liner predition）音声データ通信では２タイムスロット、PSI−CELP（pith synchronous innovation CELP）音声データ通信では１タイムスロットを１ユーザの通信に割り当てている。したがって、これらのユーザの音声通信データは通常20msもしくは40msの整数倍のタイミングで生起する。
以上の例のようにデータ通信の中には、遅延条件が厳しいデータやデータの生起が周期的なものも存在する。特に低速度伝送路において複数データが競合すると、送信待ちのための遅延量は深刻なものがある。このため、上述した特性を持つデータ通信には、先に述べた統計多重効果を見込んだ設備設計を適用できなかった。
以下に第１の例として、移動通信の基地局と交換局との間にATMセル多重伝送を採用し、音声データのように遅延条件が厳しい周期的なデータを伝送した場合の問題点を述べる。
一般的に移動通信システムでは、広範な通信エリアを構築する。このため、移動通信システムは、一定面積の領域に対する無線アクセスを担当する基地局をサービスエリア内に複数配置する。移動通信システムは、それらの基地局と交換局を伝送リンクで接続し、各基地局からの通信データを集約・交換する構成をとっている。この基地局と交換局間の伝送リンク速度は、基地局のトラヒック量により左右される。しかし、音声通信を主とした場合には、伝送リンク速度は1.5Mbps程度の低速度の場合がある。
さて、この基地局と交換局との間の伝送リンクにATMセル多重伝送を適用することがある。この場合に、ATMセル多重送信部におけるATMセル多重送信待ち遅延は、固定網におけるそれに比べて、サービス品質に与える影響が大きい。その理由は、以下の通りである。まず、固定網におけるATM伝送は155Mbpsを基本としている。このため、ATMセル多重送信部において、1ATMセルの送信待ち時間は0.0027ms程度である。これに対し1.5Mbpsの回線において同じ1ATMセルの送信を行うのには、0.27ms程度の遅延となる。すなわち、移動通信では、多重伝送リンクが低速であることに起因して、固定網の約100倍程度の遅延量がサービスに生じることになる。Ｎ個のATMセルがATMセル多重送信部で競合した場合には、さらにＮ倍の待ち時間が必要となり、遅延はより深刻な問題となる。
したがって、基地局と交換局との間に設けられた低速度の伝送リンクにATMセル多重伝送を適用して、遅延条件の厳しいデータを所定の品質で多重伝送する場合には、多重伝送路全体の帯域には余裕があるにも関わらず、入力コネクション数を制限するなどの対策が必要である。この結果、統計多重効果が十分に活用できないといった問題がある。 上記の例は、ATMセル単位でデータを多重する場合であった。これに対して、低伝送レートのデータを効率的に転送する方式が知られている。この方式では、複数コネクションを一つのATMセルに搭載するAAL Type2 CPS Packetを１つのATMバーチャルチャンネル（VC）に多重して伝送する。このAAL Type2 CPS PacktをATMの1VCに多重する際にも上記の例と同様の問題が生じる。
次に、第２の例として、無線リンクの終端部におけるデータのバースト到着の問題について述べる。
移動局と基地局との間が無線リンクで接続されており、これらの間でATM多重伝送が行われる構成において、複数の移動局から基地局にデータを伝送するものとする。この場合、基地局におけるデータ受信タイミングは、移動局と基地局との間の無線フレーム送信タイミングに依存する。したがって、通信中の複数移動局が使用する各コネクションの各無線フレームが、同一タイミングで同期管理されている場合には、基地局は、全ての移動局からのデータを同一タイミングでバースト的に受信することになる。すると、基地局のATM多重送信部にも同一タイミングでバースト的にATMセルが到着することになり、第１の例で述べた待ち合わせ遅延が増加する。このため、品質を満たしながら、多重伝送するためには、多重伝送路全体の帯域には余裕があるにも関わらず、入力コネクション数を制限するなどの対策が必要である。この結果、統計多重効果が十分に活用できないといった問題が生じる。
発明の開示
本発明は、複数のコネクションからの各データフレームを、複数のタイムスロットから構成される無線フレームを用いて伝送する無線フレーム伝送方法において、前記コネクションを設定する際に、前記各データフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記データフレームのデータ処理タイミングを設定するステップと、前記データ処理タイミングに従って生成された前記無線フレームを伝送するステップとを備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数の移動局と、前記各移動局と無線リンクを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リンクを介して接続される交換局とを備えた移動体通信システムに用いられる移動体通信方法において、前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように前記コネクションのパケット処理タイミングを設定するステップと、前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネクションからの下りデータフレームの先頭位置が、無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記下りデータフレームのデータ処理タイミングを設定するステップと、前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タイミングに従って前記コネクションのパケットを送信するステップと、前記基地局から前記移動局へ、前記データ処理タイミングに従って生成された前記下り無線フレームを送信するステップとを備えることを特徴とする。
さらに、この移動体通信方法において、前記基地局は、前記下り無線フレームの送信に先立って前記データ処理タイミングを前記移動局に通知し、前記移動局は、通知された前記データ処理タイミングに基づいて、前記下り無線フレームの中から前記下りデータフレームの先頭位置を検知し、前記移動局は、前記下りデータフレームの受信タイミングに基づいて、上りデータフレームの開始位置を設定した上り無線フレームを前記基地局に送信するものであってもよい。
また、本発明は、複数の移動局と、前記各移動局と無線リンクを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リンクを介して接続される交換局とを備え、前記基地局から前記移動局へ、複数のタイムスロットから構成される下り無線フレームを用いて下りデータフレームを送信する移動体通信システムにおいて、前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように前記コネクションのパケット処理タイミングを設定するパケットタイミング制御手段と、前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タイミングに従って前記コネクションのパケットを送信するパケット送信手段と、前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネクションに対応する下りデータフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記下りデータフレームの処理タイミングを各々設定する無線フレームタイミング制御手段と、前記処理タイミングに従って生成された前記下り無線フレーム送信する無線フレーム送信手段とを備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係わる移動体通信システムのブロック図である。
図２は、同実施形態に係わる伝送リンクL1,L2で用いられるフレーム構成の一例を示す図である。
図３は、同実施形態に係わるタイミング制御装置の構成例を示すブロック図である。
図４は、同実施形態に係わる物理無線フレームを示す図である。
図５は、同実施形態に係る送信電力制御の一例を示す図である。
図６は、同実施形態に係わる物理無線フレームと各コネクション毎の論理無線フレームとの関係の一例を示すタイミングチャートである。
図７は、同実施形態に係わる複数コネクションを収容可能なTDM構成を有する無線フレームの一例を示す図である。
図８は、同実施形態に係わる下り処理の内容を示すフローチャートである。
図９は、同実施形態に係わる上り処理の内容を示すフローチャートである。
図10は、同実施形態に係わるシミュレーション結果を示す図である。
図11は、同実施形態においてパケットの平均多重送信待ち時間の一例を示す図である。
図12は、変形例において、AAL Type2 CPS PacketをATMセルに多重して伝送する場合の処理の流れを示す概念図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態として、移動体通信システムにおいてATM伝送を利用した場合を一例として説明する。
1.実施形態の構成
図１は、本発明の一実施形態に係わる移動体通信システムのブロック図である。この図に示すように、移動体通信システムは、中継網・固定電話網などの通信網１、通信網１との間で通信を行う交換局２、複数のセルを管理する基地局３、交換局２と基地局３との間でパケット通信を行うための伝送リンクL1,L2、基地局３と通信を行う複数の移動局41,42…等から概略構成される。伝送リンクL1,L2にはフレームリレー伝送方式などの各種方式を適用することができる。この例における伝送リンクL1,L2は、ATM伝送方式を用いて、パケットに収納されたデータを伝送する。伝送リンクL1は下り用の伝送路であり、交換局２から基地局３へのデータ伝送に用いられる。一方、伝送リンクL2は上り用の伝送路であり、基地局３から交換局２へのデータ伝送に用いられる。ここで、図２に伝送リンクL1,L2で用いられるパケット送信周期の一例を示す。この図に示すようにパケット送信周期は、例えば、16に分割されたタイミングから構成される。
次に、交換局２は以下のように構成される。21は送受信処理を行うパケット送受信装置である。パケット送受信装置21は、通信網１や各移動局41,42…からコネクションの設定要求があると、コネクションを設定する。また、パケット送受信装置21は、通信網１から受信したデータにパケット生成処理を施して、後述する所定のタイミングでパケットを生成する。
また、22はパケット送受信装置21と接続されるタイミング制御装置である。タイミング制御装置22は、パケット送受信装置21がコネクションを設定する際に、パケット送受信装置21と基地局３にタイミング情報Tfを通知する。タイミング情報Tfは、パケット送信周期をある自然数で分割したタイミングを表している。例えば、図２に示すように、パケット送信周期を16分割するものとすれば、図中の０〜15の数値がタイミング情報でTfである。この例にあっては、パケット送信周期を分割した各タイミングをフレームオフセット値と呼ぶ。
タイミング制御装置22は、パケットが均等に分散されるようにタイミング情報Tfを生成する。ここではその具体例として、２つの例を説明する。まず、第１の態様は、コネクション設定要求順にタイミング情報Tfをランダムに発生する方法である。この方法を採用する場合に、パケット送信周期をＮ分割（Ｎは２以上の自然数）するものとすれば、タイミング制御装置22は、コネクション設定要求順に、０→１→２…→Ｎ−１といったフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして設定する。そして、Ｎ＋１番目のコネクション設定要求があったときに、再びフレームオフセット値を０に戻し、０からＮ−１の値を巡回するようにタイミング情報Tfを設定する。
次に、第２の態様は、フレームオフセット値毎に通信中のコネクション数を検知し、新たなコネクション設定要求があると、最も少ないコネクション数のフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして割り当てるものである。この方法を用いる場合のタイミング制御装置22の構成例を図３に示す。この例のタイミング制御装置22は、装置全体を制御し、CPU等で構成される制御部221と、制御部221に接続されるタイミング情報テーブル222および割当数テーブル223から構成される。
タイミング情報テーブル222は、RAM等によって構成され、そこにはタイミング情報Tfが、通信中の各コネクションを識別する識別番号と対応付けられて格納される。制御部221は、コネクション設定要求通知を受信すると、タイミング情報Tfを識別番号と対応付けてタイミング情報テーブル222に書き込むようになっている。したがって、通信終了時にタイミング情報テーブル222を参照すれば、どのタイミング情報Tfを用いて通信していたかを知ることができる。
次に、割当数テーブル223は、RAM等によって構成され、そこにはタイミング情報Tfの各フレームオフセット値毎に現在割り当てられているコネクション数（以下、割当数と呼ぶ）が、格納されている。
以上の構成よって、制御部221は、新たなコネクション設定要求通知を受信すると、割当数テーブル223にアクセスして割当数が最も少ないフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして設定する。この後、制御部221は、要求があったコネクションの識別番号（例えば、移動局の電話番号）と対応付けてタイミング情報Tfをタイミング情報テーブル222に書き込むとともに、このタイミング情報Tfに対応する割当数テーブル223の割当数を１つ増やすように更新する。
一方、通信終了通知を受信した制御部221は、タイミング情報テーブル222にアクセスして、該当する識別番号に対応するタイミング情報Tfを取得し、このタイミング情報Tfに対応する割当数テーブル223の割当数を１つ減らすように更新する。この後、制御部221は、通信が終了した識別番号とタイミング情報Tfとをタイミング情報テーブル222から削除する。なお、コネクション設定要求通知と通信終了通知は、パケット送受信装置21によって生成され、タイミング制御装置22に送られる。
これにより、タイミング制御装置22は、刻々と変化する通信の状況に応じて最小の割当数を有するフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして生成することができる。そして、パケット送受信装置21は、各コネクション毎に通知されるタイミング情報Tfに基づいて、そのフレームオフセット値の指示するタイミングで送信処理を行う。これに伴い、高能率符号化音声や非音声情報などのデータを生成しパケット化するパケット生成処理も送信タイミングに間に合い、かつ遅延時間が最小となるようなタイミングで行われる。
次に、図１に示す23はパケット多重装置であって、パケット送受信装置21からのパケットを多重して伝送リンクL1に出力する。この場合、仮にパケット多重装置23に一斉にパケットが到着すると、伝送リンクL1の伝送速度は一定であるから、送信待ちのために長時間を要することになる。しかし、上述したようにパケット送受信装置21は、タイミング情報Tfに基づいて送信処理を行うので、パケット送信周期の中でパケット送信タイミングが平均化される。したがって、パケット多重送信遅延を減少させ、要求されるサービス品質を満足しながら、伝送路使用効率を向上させることができる。
次に、24はパケット分離装置である。パケット分離装置24は、基地局３から伝送リンクL2を介して送信される多重されたパケットを各コネクション毎に分離し、パケット送受信装置21に送信する。
次に、基地局３は、以下のように構成される。31はパケット分離装置であって、交換局２から送信されるパケットを各コネクション毎に分離する。32は送受信装置であって、各移動局41,42…との間で通信を行う。この送受信装置32には、上述したタイミング制御装置22から、タイミング情報Tfが通知される。タイミング情報Tfは、送受信装置32の内部に設けられた記憶部に、コネクションが確立している期間中記憶される。また、33はパケット多重装置であって、送受信装置33からの送信される各パケットを多重して伝送リンクL2に出力する。
以上の構成によって、交換局２から送信されたパケットが、パケット分離装置31によって各コネクション対応に分離されると、送受信装置32は分離されたパケットを無線フレームに変換する。この後、送受信装置32は、コネクション設定時に通知されたタイミング情報Tfに基づいて、それが示すフレームオフセット値に従ったタイミングで各移動局41,42…に無線フレームを送信する。
図４は基地局３から各移動局41,42…に送出される無線フレームの物理的構成を示す図である。この図に示すように、無線区間の物理無線フレームは16のタイムスロットに分割されている。基地局３は、音声などのユーザーデータの先頭を、この16分割されたタイムスロットに平均的に割り当てる。これによって、移動局41,42…は無線フレーム中で平均化されたタイミングで、ユーザーデータを受信することが可能となる。移動局41,42…はユーザーデータの受信タイミングに従って上り無線フレームを送信する。ここで得られた無線チャネルのビット列が上記した16タイムスロットに分かれる。この場合、タイムスロットの開始は、各タイムスロットの先頭に介挿されるパイロット信号ビットを認識することにより検知される。
ところで、この例の移動体通信では、CDMA無線方式を採用している。CDMA無線方式では、無線チャンネル毎にユーザ情報を広帯域幅高周波の拡散信号および特定コードパターンと掛け合わせることにより拡散して送信し、受信側では、特定コードパターンを用いて所望の無線チャンネルのビット列を得る。一般に、基地局から移動局までの距離に応じて、受信レベルに差が生じる。CDMA無線方式では、受信レベルの差が通信品質・容量の劣化を引き起こす。この問題を解決するには、レベル変動に追随する精度の高い送信電力制御を行う必要がある。CDMA無線方式では、瞬時変動に追随する送信電力制御を行うために、送信電力制御を行う単位としてタイムスロット構成を取るのが通常である。
ここで、送信電力制御を行うことを目的としたタイムスロット構成と、上述したユーザーデータを伝送することを目的としたタイムスロット構成とは、目的が相違するため、必ずしも一致する必要はない。しかし、両者を独立の構成にすると、個別にタイムスロットを検知する必要があり、また、タイミングの制御が複雑となる。そこで、本実施形態では、両者のタイムスロット構成を一致させている。具体的には、図４に示すように、各タイムスロット毎に送信電力制御ビットが挿入される。この例では、0.625msec単位で送信電力を増減させることが可能となる。図５は、タイムスロット単位で行う送信電力制御の一例を示したものである。
このように、各タイムスロットの単位は、CDMA無線方式の送信電力制御単位と対応させてある。このため、この例にあっては、新たに複雑なスロット構成を無線フレームに追加する必要がない。また、各コネクション毎に論理的に構成される論理無線フレーム（データフレーム）の先頭位置は、指定されたフレームオフセット値分だけずらしたスロットに設定されるようになっている。これにより、基地局３の送受信装置32は、物理無線フレームの送信タイミングを変化させることなく、コネクションに対して、送信タイミングを設定することができる。ここで、タイミング情報Tfの示すフレームオフセット値は、上述したようにパケット送信周期の中で割当数が平均化されるように設定されている。したがって、基地局３と各移動局41,42…との間で行われる無線フレーム伝送において、各コネクションの各論理無線フレームの先頭位置は、複数のコネクションで共通使用する物理無線フレームの各タイムスロットに、均等に割り当てられることになる。
例えば、コネクション１のフレームオフセット値が０、コネクション２のフレームオフセット値が４、コネクション３のフレームオフセット値が８、コネクション４のフレームオフセット値が12であるならば、無線フレームの物理的構成と、各コネクション毎の無線フレームの論理的構成は、図６に示すものとなる。図６（ａ）は物理無線フレームを示しており、図６（ｂ）〜（ｅ）はコネクション１〜４の論理無線フレームを示している。
このように、物理無線フレームの送信タイミングに係わらず、コネクションに対応する論理無線フレームタイミングを設定するようにしてもよい。この場合は、スロット内に複数のコネクションを収容可能である。例えば、４つのコネクションを１タイムスロットに収容するものとすれば、無線フレームとタイムスロットの関係は図７に示すものとなる。このように複数コネクションを収容可能なTDM構成を有する無線フレームの場合にも、送信タイミング設定時の無線リソースの分割損による容量低下、あるいは複雑なリソース管理を行うことなく通信を行うことが可能である。
次に、各移動局41,42…の内部には記憶部Ｍが各々設けられている。各移動局41,42…には、コネクション設定時に基地局３において論理無線フレームのタイミングを調整するために割り当てられるタイミング情報Tfが、通知されるようになっている。通知されたタイミング情報Tfは各移動局41,42…の記憶部Ｍに各々書き込まれ、コネクションが確立している期間中記憶され、通信終了時にクリアされるようになっている。そして、基地局２から送信される無線フレームを各移動局41,42…が受信すると、各移動局41,42…は記憶部Ｍから読み出したタイミング情報Tfを参照して、フレームオフセット値を検知する。これにより、各移動局41,42…は、物理無線フレームに対して、当該コネクションに対応する論理無線フレームの先頭位置を判別することができる。
論理無線フレームを受信した各移動局41,42…は、論理無線フレームを受信したタイミングに従って、基地局２へ無線フレームを送信する。無線フレームを受信した基地局３は送受信装置32において、変復調などの処理を行った後、無線フレームをパケット化して、パケット多重装置33に出力する。パケット多重装置33は複数コネクションのパケットを多重搭載して、伝送リンクL2を介して交換局２に伝送する。
これらの処理によって、各移動局41,42…から基地局３のパケット多重装置33に到着するパケットタイミングは、下り基地局３における論理無線フレーム送信タイミング（基地局３から各移動局41,42…への送信タイミング）に従うことになる。ここで、下り基地局３における論理無線フレーム送信タイミングは、タイミング情報Tfによって、割当数が平均化されるように分散されるから、上り基地局２におけるパケット多重装置33におけるパケット入力タイミングも平均化される。したがって、基地局３における下り論理無線フレームタイミングを平均化することによって、上り基地局３から交換局２への伝送リンクL2の使用効率を向上させることができる。
2.実施形態の動作
以下、図面を参照しつつ、本実施形態の動作を説明する。
２−1:下り経路の処理
まず、交換局２から移動局41への下り経路の処理について説明する。図８は下り経路の処理の内容を示すフローチャートである。
図において、コネクション設定要求があると、タイミング制御装置22は、これを検知して（ステップS1）、タイミング情報Tfの生成処理を行う（ステップS2）。この場合、タイミング制御装置21の制御部221は、割当数テーブル223を検索して、割当数が最小のフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして生成する。例えば、フレームオフセット値１〜15に対応する割当数X1〜X15がいずれも「10」以上であり、フレームオフセット値０に対応する割当数X0が「９」であるならば、フレームオフセット値０を示すタイミング情報Tfが生成される。
生成されたタイミング情報Tfは、交換局２のパケット送受信装置21と基地局３の送受信装置32に通知され（ステップS3）、コネクションと対応付けられて記憶される。また、送受信装置32から移動局41に無線フレームの制御チャネルを介してタイミング情報Tfが送信されると、移動局41は、受信したタイミング情報Tfを記憶部Ｍに記憶する。これにより、各ノードは、コネクションに対応するタイミング情報Tfを取得するので、当該タイミング情報Tfが示すフレームオフセット値に従って通信を行うことが可能となる。
次に、パケット送受信装置21が、タイミング情報Tfの指定するフレームオフセット値に従ってパケット生成処理を行うと、パケット多重装置23は、各コネクションからのパケットを多重搭載して、伝送リンクL1に送出する（ステップS5）。上述したようにタイミング情報Tfには割当数が最小のフレームオフセット値が設定されるから、パケットの生起タイミングはパケット送信周期の中で平均化される。したがって、送信待ち時間を抑制することができるので、遅延条件の厳しいデータや周期的に生起するデータであっても、伝送容量が比較的少ない伝送リンクL1を用いて伝送することが可能となる。
次に、伝送リンクL1を介して送信されたデータを基地局３が受信すると、多重されたパケットがパケット分離装置によって分離される（ステップS6）。この後、送受信装置32は、分離されたパケットを無線フレームに変換する。この際、送受信装置32はステップS3で通知されたタイミング情報Tfが示すフレームオフセット値分だけずらしたスロットに論理無線フレームの先頭位置を設定する。例えば、フレームオフセット値が「０」であるならば、移動局41との間の論理無線フレームは図６（ｂ）に示すものとなる。
このようにして構成された無線フレームが移動局41に送信されると（ステップS7）、移動局41は、記憶部Ｍに記憶しているタイミング情報Tfを読み出して、そのフレームオフセット値に従って、論理無線フレームが開始するスロット位置を検知する。そして、移動局41は、検知した論理無線フレームの開始位置に基づいて受信処理を行いデータを取得する（ステップS8）。なお、この受信処理には、CDMA無線方式による送信電力制御ビットを受信し、送信電力を設定する処理が含まれる。
２−2:上り処理
次に、移動局41から交換局２への上り経路の処理について説明する。図９は上り処理の内容を示すフローチャートである。
図において、移動局41は、上述したステップS8で受信した論理無線フレームのタイミングに従って、基地局３へ無線フレームを送信する（ステップS10）。次に、基地局３の送受信装置32は、無線フレームをパケット化してパケット多重装置33に出力する（ステップS11）。この場合、パケット多重装置33に到着するパケットのタイミングは、基地局３が受信した論理無線フレームのタイミングに依存するから、多数のパケットが競合することはない。
この後、複数のパケットがパケット多重装置33によって多重搭載され（ステップS12）、伝送リンクL2を介して交換局２に伝送される（ステップS13）。次に、多重されたパケットが伝送リンクL2を介して交換局２に入来すると、パケット分離装置24は各コネクション毎にパケットを分離する（ステップS14）。この後、パケット送受信装置21は、パケット化されたデータに所定の変換処理を施して、通信網１へ送信する。
このように、上り処理にあっては、移動局41の論理無線フレームの受信タイミングに従って、上り論理無線フレームのタイミングが調整される。そして、これに伴って、パケット多重装置33におけるパケット入力タイミングも平均化される。しかしながら、上り処理においても送受信装置32およびパケット送受信装置21にタイミング情報を通知することにより意識的にタイミングを平均化してもよい。したがって、基地局３における下り論理無線フレームタイミングを平均化することによって、上り基地局３から交換局２への伝送リンクL2の使用効率を向上させることができる。
3.シミュレーション結果
次に、本発明者らは、上述した移動体通信システムの効果を確認するために、計算機シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、ATMセルに複数コネクションからなるパケットを搭載することが可能なATM伝送方式（AAL Type2）において、伝送路速度を1.5Mbps、パケット長を15オクテット固定、パケット送信周期を10msec、パケット発生確率を50％とした。そして、通信コネクションの送信タイミングをパケット送信周期の中で１〜16分割して周期的に割り当てた場合と、パケット周期の中でランダムなタイミングで送信した場合とを比較した。
図10はシミュレーション結果を示す図である。この図において、縦軸はパケット廃棄率１×10-4を満たす最大の入力コネクション数であり、横軸はパケット多重装置23における多重送信待ち許容時間である。このシミュレーション結果によれば、各パケットの送信タイミングがパケット送信周期で同一（1window）の場合は、12msec程度以上の十分な多重送信待ち許容遅延をもたなければ、伝送路に十分なコネクション数を収容することができない。
一方、パケット送信タイミングをパケット送信周期の中で、８分割（8window）あるいは16分割（16window）して平均的にコネクションを割り当てた場合には、多重送信待ち時間が３〜5msec程度で、十分な数のコネクションが収容可能であることがわかる。
ここで、パケット多重装置23への入力コネクション数を200とし、多重送信待ち許容時間を無限大とした場合の、パケットの平均多重送信待ち時間をシミュレーションした結果を図11に示す。このシミュレーション結果によれば、パケット送信周期の分割数が大きくなるにつれ、多重送信待ち時間を大幅に低減されることがわかる。特に、分割数を16に設定するとパケット送信タイミングがランダムな場合とほぼ同等の待ち時間で送信可能である。これらの結果により、リアルタイム処理が要求されるサービスの通信において、上述した移動体通信システムが有効であることがわかる。
4.まとめ
以上説明したように、本実施形態にあっては、パケット送信タイミング周期の中で、送信タイミングをＮ個のタイミングに分割した。加えて、パケット多重装置23へ到着するパケットが平均化するようにコネクション設定時にＮ分割されたタイミングの選択を行うようにした。このため、遅延条件が厳しくデータ生成に周期性を持つデータ伝送において、複数コネクション間のデータのバースト発生を抑制することができる。この結果、統計多重効果を発揮させることができる。これにより、要求品質を満たしつつ、効率的に伝送リンクを使用することが可能となる。
また、各移動局41,42…と基地局３との間においてコネクションごとの論理無線フレームタイミングを、基地局３が持つ物理無線フレーム送信タイミングと独立に設定することにより、TDM構成をもつ無線フレームにおいても無線容量リソースをタイミングごとに割り当てることなしに、無線フレーム送信タイミングを平均化することができる。また、移動体通信システムの基地局３における上りパケット多重装置23においても、パケット到着タイミングが平均化される。したがって、少ない遅延時間で高い伝送路使用効率を得ることができ、効率的な設備設計が可能となる。
また、本実施形態にあっては、複数のコネクションにおいてデータが発生するタイミングが分散されるから、交換局２や基地局３において、複数のコネクションをまとめて処理する装置の負荷が軽減される。複数のコネクションをまとめて処理する装置としては、例えば、交換局２に配置される高速スイッチや、あるいはハンドオーバーを制御するハンドオーバー制御装置が該当する。
5.変形例
以上、本発明に係わる実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、以下に述べる各種の変形が可能である。
（１）上述した実施形態において、交換局２のパケット送受信装置22に設定されるタイミング情報Tfと基地局３の送受信装置32に設定されるタイミング情報Tfは必ずしも同一値を用いる必要はなく、これらの間に一定の関係があればよい。例えば、交換局２と基地局３との間の伝送遅延、各装置の処理遅延、ATMセルのゆらぎ時間などを考慮して、送受信装置32に設定されるタイミング情報Tfをパケット送受信装置22に設定されるタイミング情報Tfとずらすようにしてもよい。この場合には、各種の遅延時間を考慮してフレームオフセット値を設定できるので、余分な遅延時間を軽減することができる。
（２）また、上述した実施形態において、交換局２のタイミング制御装置22から基地局３の送受信装置22へタイミング情報Tfを通知したが、この場合、タイミング情報Tfは、伝送リンクL1の制御チャネルを用いて伝送してもよいし、あるいは交換局２と基地局３を接続する制御線（図示せず）を用いて伝送してもよい。
（３）また、上述した実施形態において、タイミング制御装置22は交換局２の内部に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動体通信システムのどこに設けてもよく、例えば、基地局３の内部に設けてもよい。要は、コネクション設定時にタイミング情報Tfを生成し、これを交換局２のパケット送受信装置21と基地局３の送受信装置32に通知できるのであれば、その配置場所は問わない。
（４）また、上述した実施形態において、上りのデータ処理タイミングは、各移動局41,42…が無線フレームを受信したタイミングで処理される。この場合、各移動局41,42…から基地局３へ送信する無線フレームを受信した無線フレームに対して一定時間だけ遅延させてもよく、例えば、1/2タイムスロットだけ遅延させるようにしてもよい。これによりCDMA無線方式における送信電力制御遅延を１タイムスロットとし、制御誤差を低減することが可能となる。
（５）また、上述した実施形態では、移動体通信システムに用いられる伝送リンクL1,L2をパケット通信システムの一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なパケット通信システムに用いてもよいことは勿論である。例えば、伝送レートが155Mbpsである伝送リンクを用いた通信網であってもよい。この場合には、伝送リンクが高速であるため、その待ち時間は大きな問題とはならない。むしろ、データを多重して伝送リンクに送出するスイッチ等において待ち時間が問題となる。しかし、予めコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように処理タイミングを設定するから、通信網を構成する各装置の負荷を軽減することができる。
（６）また、上述した実施形態において、伝送リンクL1,L2は、ATM伝送を行うが、伝送パケットは、AAL Type2 CPS Packetであってもよい。図12はAAL Type2 CPS Packetを用いた処理の流れを示したものである。この図に示すように、１つのATMセルには、複数のCPSパケットP1,P2,…が多重される。各CPSパケットP1,P2…には、個別のユーザーデータを格納する。すなわち、１つのATMセルに複数のコネクションを多重している。仮に、１つのATMセルに対して１つのコネクションを設定すると、１つのATMセルが53バイトと長いため、１つのATMセルにデータが埋まるまでの待ち時間が長くなる。しかし、この伝送方式では、１つのATMセルに複数のコネクションを多重するので、より待ち時間が少なくて済むといった利点がある。
ところで、バースト的に各コネクションからデータが到着すると、交換局２や基地局３に設けられる各装置においてデータ処理の競合が生じる。この場合、問題となるのは、低速の伝送リンクにATMセルを送出する際に生じるATMセル間の競合である。この例では、コネクションを設定する際に、割当数が平均化するようにコネクションを各タイムスロットに割り当てるので、ATMセルを時間的に分散して生成している。低速の伝送リンクを用いても円滑にATMセルを伝送することが可能となる。
この発明は、複数のコネクションからなるパケットを、複数のコネクションが共通使用する伝送リンクへ多重するのに好適なパケット送信方法、パケット送信装置、無線フレーム伝送方法、移動体通信方法、移動体通信システム、および交換局に関する。
技術背景
データ通信においては、複数コネクションからのデータパケットを複数コネクションが共通使用する伝送リンクへ多重して送信するパケット送信方法が知られている。従来のパケット送信方法にあっては、伝送リンクが空きの状態であるか否かを検知する。そして、空き状態ならばパケットをそのまま送出し、一方、他のパケットが送信中で伝送リンクに空きがない場合には、伝送リンクが空き状態になるまでパケット送出の待ち合わせを行うといった制御を行っている。仮に各コネクションのパケットの生起パターンがランダムであり、かつコネクション数が十分多ければ、このパケット送信方法によって、多重送信におけるパケット衝突確率が平均化される。このため、衝突確率に平均的な値を用い、ある程度のマージンを持たせた伝送リンクを用意しておく。これにより、全てのコネクションに提供する最大レートを足し合わせた伝送帯域の伝送リンクを用意しなくても、実質的には遅延増加などのサービス低下が生じない。
したがって、伝送サービス提供者は統計多重効果を見込んで設備設計をすることができるので、コストを低減することが可能である。このような統計多重効果を見込んだ設備設計にあっては、以下の２点が前提条件となっている。
１）対象とするサービスが、パケット多重送信部で多少待ち合わせを行っても支障がないような遅延条件が比較的緩いものであること。
２）パケット多重送信部に入力されるパケットのトラヒック特性が平均的でバーストトラヒックが生じないこと。
ところで、データ通信では、遅延条件が厳しいデータや周期的に生起するデータを伝送することもある。
遅延条件が厳しい例としては、音声通信やテレビ会議システムの画像データなどのように、伝送データの遅延がそのままタイムラグとしてユーザに認知されてしまうようなサービスが挙げられる。
また、データが周期的な生起特性を持つものとしては、高能率符号化データの伝送がある。これらの符号化データの送信側では、ユーザの音声情報や動画像情報などを圧縮することによって固定長または可変長のデータに変換し、変換されたデータを周期的に伝送あるいは一定の周期で間欠的に送信する場合がある。受信側では、受信した符号化データに基づいて連続的な元のユーザの音声や動画像情報を復元する。
また、周期的なデータ生起特性を持つ他の例として、無線リンクを介した通信がある。無線伝送においては、無線リンクに周期的な無線フレームを構成し、この無線フレーム内にデータを格納して伝送することが行われる。この場合には、一般的に、１ユーザの通信はこの無線フレーム周期で行われる。このため、無線リンクの終端部におけるデータの送受信タイミングは、無線フレーム周期に依存する。例えば、日本のデジタル移動通信におけるPDCシステムにあっては、280bitの容量を持つタイムスロットを６チャンネル合わせて40ms毎に無線フレームを構成し、さらに無線フレームを18フレーム合わせた720msのスーパー無線フレームを構成している。この無線フレーム構成において、Ｖ−SELP（vector sum excited liner predition）音声データ通信では２タイムスロット、PSI−CELP（pith synchronous innovation CELP）音声データ通信では１タイムスロットを１ユーザの通信に割り当てている。したがって、これらのユーザの音声通信データは通常20msもしくは40msの整数倍のタイミングで生起する。
以上の例のようにデータ通信の中には、遅延条件が厳しいデータやデータの生起が周期的なものも存在する。特に低速度伝送路において複数データが競合すると、送信待ちのための遅延量は深刻なものがある。このため、上述した特性を持つデータ通信には、先に述べた統計多重効果を見込んだ設備設計を適用できなかった。
以下に第１の例として、移動通信の基地局と交換局との間にATMセル多重伝送を採用し、音声データのように遅延条件が厳しい周期的なデータを伝送した場合の問題点を述べる。
一般的に移動通信システムでは、広範な通信エリアを構築する。このため、移動通信システムは、一定面積の領域に対する無線アクセスを担当する基地局をサービスエリア内に複数配置する。移動通信システムは、それらの基地局と交換局を伝送リンクで接続し、各基地局からの通信データを集約・交換する構成をとっている。この基地局と交換局間の伝送リンク速度は、基地局のトラヒック量により左右される。しかし、音声通信を主とした場合には、伝送リンク速度は1.5Mbps程度の低速度の場合がある。
さて、この基地局と交換局との間の伝送リンクにATMセル多重伝送を適用することがある。この場合に、ATMセル多重送信部におけるATMセル多重送信待ち遅延は、固定網におけるそれに比べて、サービス品質に与える影響が大きい。その理由は、以下の通りである。まず、固定網におけるATM伝送は155Mbpsを基本としている。このため、ATMセル多重送信部において、1ATMセルの送信待ち時間は0.0027ms程度である。これに対し1.5Mbpsの回線において同じ1ATMセルの送信を行うのには、0.27ms程度の遅延となる。すなわち、移動通信では、多重伝送リンクが低速であることに起因して、固定網の約100倍程度の遅延量がサービスに生じることになる。Ｎ個のATMセルがATMセル多重送信部で競合した場合には、さらにＮ倍の待ち時間が必要となり、遅延はより深刻な問題となる。
したがって、基地局と交換局との間に設けられた低速度の伝送リンクにATMセル多重伝送を適用して、遅延条件の厳しいデータを所定の品質で多重伝送する場合には、多重伝送路全体の帯域には余裕があるにも関わらず、入力コネクション数を制限するなどの対策が必要である。この結果、統計多重効果が十分に活用できないといった問題がある。 上記の例は、ATMセル単位でデータを多重する場合であった。これに対して、低伝送レートのデータを効率的に転送する方式が知られている。この方式では、複数コネクションを一つのATMセルに搭載するAAL Type2 CPS Packetを１つのATMバーチャルチャンネル（VC）に多重して伝送する。このAAL Type2 CPS PacktをATMの1VCに多重する際にも上記の例と同様の問題が生じる。
次に、第２の例として、無線リンクの終端部におけるデータのバースト到着の問題について述べる。
移動局と基地局との間が無線リンクで接続されており、これらの間でATM多重伝送が行われる構成において、複数の移動局から基地局にデータを伝送するものとする。この場合、基地局におけるデータ受信タイミングは、移動局と基地局との間の無線フレーム送信タイミングに依存する。したがって、通信中の複数移動局が使用する各コネクションの各無線フレームが、同一タイミングで同期管理されている場合には、基地局は、全ての移動局からのデータを同一タイミングでバースト的に受信することになる。すると、基地局のATM多重送信部にも同一タイミングでバースト的にATMセルが到着することになり、第１の例で述べた待ち合わせ遅延が増加する。このため、品質を満たしながら、多重伝送するためには、多重伝送路全体の帯域には余裕があるにも関わらず、入力コネクション数を制限するなどの対策が必要である。この結果、統計多重効果が十分に活用できないといった問題が生じる。
発明の開示
本発明は、複数のコネクションからの各データフレームを、複数のタイムスロットから構成される無線フレームを用いて伝送する無線フレーム伝送方法において、前記コネクションを設定する際に、前記各データフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記データフレームのデータ処理タイミングを設定するステップと、前記データ処理タイミングに従って生成された前記無線フレームを伝送するステップとを備えることを特徴とする。
また、本発明は、複数の移動局と、前記各移動局と無線リンクを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リンクを介して接続される交換局とを備えた移動体通信システムに用いられる移動体通信方法において、前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように前記コネクションのパケット処理タイミングを設定するステップと、前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネクションからの下りデータフレームの先頭位置が、無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記下りデータフレームのデータ処理タイミングを設定するステップと、前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タイミングに従って前記コネクションのパケットを送信するステップと、前記基地局から前記移動局へ、前記データ処理タイミングに従って生成された前記下り無線フレームを送信するステップとを備えることを特徴とする。
さらに、この移動体通信方法において、前記基地局は、前記下り無線フレームの送信に先立って前記データ処理タイミングを前記移動局に通知し、前記移動局は、通知された前記データ処理タイミングに基づいて、前記下り無線フレームの中から前記下りデータフレームの先頭位置を検知し、前記移動局は、前記下りデータフレームの受信タイミングに基づいて、上りデータフレームの開始位置を設定した上り無線フレームを前記基地局に送信するものであってもよい。
また、本発明は、複数の移動局と、前記各移動局と無線リンクを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リンクを介して接続される交換局とを備え、前記基地局から前記移動局へ、複数のタイムスロットから構成される下り無線フレームを用いて下りデータフレームを送信する移動体通信システムにおいて、前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように前記コネクションのパケット処理タイミングを設定するパケットタイミング制御手段と、前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タイミングに従って前記コネクションのパケットを送信するパケット送信手段と、前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネクションに対応する下りデータフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記下りデータフレームの処理タイミングを各々設定する無線フレームタイミング制御手段と、前記処理タイミングに従って生成された前記下り無線フレーム送信する無線フレーム送信手段とを備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係わる移動体通信システムのブロック図である。
図２は、同実施形態に係わる伝送リンクL1,L2で用いられるフレーム構成の一例を示す図である。
図３は、同実施形態に係わるタイミング制御装置の構成例を示すブロック図である。
図４は、同実施形態に係わる物理無線フレームを示す図である。
図５は、同実施形態に係る送信電力制御の一例を示す図である。
図６は、同実施形態に係わる物理無線フレームと各コネクション毎の論理無線フレームとの関係の一例を示すタイミングチャートである。
図７は、同実施形態に係わる複数コネクションを収容可能なTDM構成を有する無線フレームの一例を示す図である。
図８は、同実施形態に係わる下り処理の内容を示すフローチャートである。
図９は、同実施形態に係わる上り処理の内容を示すフローチャートである。
図10は、同実施形態に係わるシミュレーション結果を示す図である。
図11は、同実施形態においてパケットの平均多重送信待ち時間の一例を示す図である。
図12は、変形例において、AAL Type2 CPS PacketをATMセルに多重して伝送する場合の処理の流れを示す概念図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態として、移動体通信システムにおいてATM伝送を利用した場合を一例として説明する。
1.実施形態の構成
図１は、本発明の一実施形態に係わる移動体通信システムのブロック図である。この図に示すように、移動体通信システムは、中継網・固定電話網などの通信網１、通信網１との間で通信を行う交換局２、複数のセルを管理する基地局３、交換局２と基地局３との間でパケット通信を行うための伝送リンクL1,L2、基地局３と通信を行う複数の移動局41,42…等から概略構成される。伝送リンクL1,L2にはフレームリレー伝送方式などの各種方式を適用することができる。この例における伝送リンクL1,L2は、ATM伝送方式を用いて、パケットに収納されたデータを伝送する。伝送リンクL1は下り用の伝送路であり、交換局２から基地局３へのデータ伝送に用いられる。一方、伝送リンクL2は上り用の伝送路であり、基地局３から交換局２へのデータ伝送に用いられる。ここで、図２に伝送リンクL1,L2で用いられるパケット送信周期の一例を示す。この図に示すようにパケット送信周期は、例えば、16に分割されたタイミングから構成される。
次に、交換局２は以下のように構成される。21は送受信処理を行うパケット送受信装置である。パケット送受信装置21は、通信網１や各移動局41,42…からコネクションの設定要求があると、コネクションを設定する。また、パケット送受信装置21は、通信網１から受信したデータにパケット生成処理を施して、後述する所定のタイミングでパケットを生成する。
また、22はパケット送受信装置21と接続されるタイミング制御装置である。タイミング制御装置22は、パケット送受信装置21がコネクションを設定する際に、パケット送受信装置21と基地局３にタイミング情報Tfを通知する。タイミング情報Tfは、パケット送信周期をある自然数で分割したタイミングを表している。例えば、図２に示すように、パケット送信周期を16分割するものとすれば、図中の０〜15の数値がタイミング情報でTfである。この例にあっては、パケット送信周期を分割した各タイミングをフレームオフセット値と呼ぶ。
タイミング制御装置22は、パケットが均等に分散されるようにタイミング情報Tfを生成する。ここではその具体例として、２つの例を説明する。まず、第１の態様は、コネクション設定要求順にタイミング情報Tfをランダムに発生する方法である。この方法を採用する場合に、パケット送信周期をＮ分割（Ｎは２以上の自然数）するものとすれば、タイミング制御装置22は、コネクション設定要求順に、０→１→２…→Ｎ−１といったフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして設定する。そして、Ｎ＋１番目のコネクション設定要求があったときに、再びフレームオフセット値を０に戻し、０からＮ−１の値を巡回するようにタイミング情報Tfを設定する。
次に、第２の態様は、フレームオフセット値毎に通信中のコネクション数を検知し、新たなコネクション設定要求があると、最も少ないコネクション数のフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして割り当てるものである。この方法を用いる場合のタイミング制御装置22の構成例を図３に示す。この例のタイミング制御装置22は、装置全体を制御し、CPU等で構成される制御部221と、制御部221に接続されるタイミング情報テーブル222および割当数テーブル223から構成される。
タイミング情報テーブル222は、RAM等によって構成され、そこにはタイミング情報Tfが、通信中の各コネクションを識別する識別番号と対応付けられて格納される。制御部221は、コネクション設定要求通知を受信すると、タイミング情報Tfを識別番号と対応付けてタイミング情報テーブル222に書き込むようになっている。したがって、通信終了時にタイミング情報テーブル222を参照すれば、どのタイミング情報Tfを用いて通信していたかを知ることができる。
次に、割当数テーブル223は、RAM等によって構成され、そこにはタイミング情報Tfの各フレームオフセット値毎に現在割り当てられているコネクション数（以下、割当数と呼ぶ）が、格納されている。
以上の構成よって、制御部221は、新たなコネクション設定要求通知を受信すると、割当数テーブル223にアクセスして割当数が最も少ないフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして設定する。この後、制御部221は、要求があったコネクションの識別番号（例えば、移動局の電話番号）と対応付けてタイミング情報Tfをタイミング情報テーブル222に書き込むとともに、このタイミング情報Tfに対応する割当数テーブル223の割当数を１つ増やすように更新する。
一方、通信終了通知を受信した制御部221は、タイミング情報テーブル222にアクセスして、該当する識別番号に対応するタイミング情報Tfを取得し、このタイミング情報Tfに対応する割当数テーブル223の割当数を１つ減らすように更新する。この後、制御部221は、通信が終了した識別番号とタイミング情報Tfとをタイミング情報テーブル222から削除する。なお、コネクション設定要求通知と通信終了通知は、パケット送受信装置21によって生成され、タイミング制御装置22に送られる。
これにより、タイミング制御装置22は、刻々と変化する通信の状況に応じて最小の割当数を有するフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして生成することができる。そして、パケット送受信装置21は、各コネクション毎に通知されるタイミング情報Tfに基づいて、そのフレームオフセット値の指示するタイミングで送信処理を行う。これに伴い、高能率符号化音声や非音声情報などのデータを生成しパケット化するパケット生成処理も送信タイミングに間に合い、かつ遅延時間が最小となるようなタイミングで行われる。
次に、図１に示す23はパケット多重装置であって、パケット送受信装置21からのパケットを多重して伝送リンクL1に出力する。この場合、仮にパケット多重装置23に一斉にパケットが到着すると、伝送リンクL1の伝送速度は一定であるから、送信待ちのために長時間を要することになる。しかし、上述したようにパケット送受信装置21は、タイミング情報Tfに基づいて送信処理を行うので、パケット送信周期の中でパケット送信タイミングが平均化される。したがって、パケット多重送信遅延を減少させ、要求されるサービス品質を満足しながら、伝送路使用効率を向上させることができる。
次に、24はパケット分離装置である。パケット分離装置24は、基地局３から伝送リンクL2を介して送信される多重されたパケットを各コネクション毎に分離し、パケット送受信装置21に送信する。
次に、基地局３は、以下のように構成される。31はパケット分離装置であって、交換局２から送信されるパケットを各コネクション毎に分離する。32は送受信装置であって、各移動局41,42…との間で通信を行う。この送受信装置32には、上述したタイミング制御装置22から、タイミング情報Tfが通知される。タイミング情報Tfは、送受信装置32の内部に設けられた記憶部に、コネクションが確立している期間中記憶される。また、33はパケット多重装置であって、送受信装置33からの送信される各パケットを多重して伝送リンクL2に出力する。
以上の構成によって、交換局２から送信されたパケットが、パケット分離装置31によって各コネクション対応に分離されると、送受信装置32は分離されたパケットを無線フレームに変換する。この後、送受信装置32は、コネクション設定時に通知されたタイミング情報Tfに基づいて、それが示すフレームオフセット値に従ったタイミングで各移動局41,42…に無線フレームを送信する。
図４は基地局３から各移動局41,42…に送出される無線フレームの物理的構成を示す図である。この図に示すように、無線区間の物理無線フレームは16のタイムスロットに分割されている。基地局３は、音声などのユーザーデータの先頭を、この16分割されたタイムスロットに平均的に割り当てる。これによって、移動局41,42…は無線フレーム中で平均化されたタイミングで、ユーザーデータを受信することが可能となる。移動局41,42…はユーザーデータの受信タイミングに従って上り無線フレームを送信する。ここで得られた無線チャネルのビット列が上記した16タイムスロットに分かれる。この場合、タイムスロットの開始は、各タイムスロットの先頭に介挿されるパイロット信号ビットを認識することにより検知される。
ところで、この例の移動体通信では、CDMA無線方式を採用している。CDMA無線方式では、無線チャンネル毎にユーザ情報を広帯域幅高周波の拡散信号および特定コードパターンと掛け合わせることにより拡散して送信し、受信側では、特定コードパターンを用いて所望の無線チャンネルのビット列を得る。一般に、基地局から移動局までの距離に応じて、受信レベルに差が生じる。CDMA無線方式では、受信レベルの差が通信品質・容量の劣化を引き起こす。この問題を解決するには、レベル変動に追随する精度の高い送信電力制御を行う必要がある。CDMA無線方式では、瞬時変動に追随する送信電力制御を行うために、送信電力制御を行う単位としてタイムスロット構成を取るのが通常である。
ここで、送信電力制御を行うことを目的としたタイムスロット構成と、上述したユーザーデータを伝送することを目的としたタイムスロット構成とは、目的が相違するため、必ずしも一致する必要はない。しかし、両者を独立の構成にすると、個別にタイムスロットを検知する必要があり、また、タイミングの制御が複雑となる。そこで、本実施形態では、両者のタイムスロット構成を一致させている。具体的には、図４に示すように、各タイムスロット毎に送信電力制御ビットが挿入される。この例では、0.625msec単位で送信電力を増減させることが可能となる。図５は、タイムスロット単位で行う送信電力制御の一例を示したものである。
このように、各タイムスロットの単位は、CDMA無線方式の送信電力制御単位と対応させてある。このため、この例にあっては、新たに複雑なスロット構成を無線フレームに追加する必要がない。また、各コネクション毎に論理的に構成される論理無線フレーム（データフレーム）の先頭位置は、指定されたフレームオフセット値分だけずらしたスロットに設定されるようになっている。これにより、基地局３の送受信装置32は、物理無線フレームの送信タイミングを変化させることなく、コネクションに対して、送信タイミングを設定することができる。ここで、タイミング情報Tfの示すフレームオフセット値は、上述したようにパケット送信周期の中で割当数が平均化されるように設定されている。したがって、基地局３と各移動局41,42…との間で行われる無線フレーム伝送において、各コネクションの各論理無線フレームの先頭位置は、複数のコネクションで共通使用する物理無線フレームの各タイムスロットに、均等に割り当てられることになる。
例えば、コネクション１のフレームオフセット値が０、コネクション２のフレームオフセット値が４、コネクション３のフレームオフセット値が８、コネクション４のフレームオフセット値が12であるならば、無線フレームの物理的構成と、各コネクション毎の無線フレームの論理的構成は、図６に示すものとなる。図６（ａ）は物理無線フレームを示しており、図６（ｂ）〜（ｅ）はコネクション１〜４の論理無線フレームを示している。
このように、物理無線フレームの送信タイミングに係わらず、コネクションに対応する論理無線フレームタイミングを設定するようにしてもよい。この場合は、スロット内に複数のコネクションを収容可能である。例えば、４つのコネクションを１タイムスロットに収容するものとすれば、無線フレームとタイムスロットの関係は図７に示すものとなる。このように複数コネクションを収容可能なTDM構成を有する無線フレームの場合にも、送信タイミング設定時の無線リソースの分割損による容量低下、あるいは複雑なリソース管理を行うことなく通信を行うことが可能である。
次に、各移動局41,42…の内部には記憶部Ｍが各々設けられている。各移動局41,42…には、コネクション設定時に基地局３において論理無線フレームのタイミングを調整するために割り当てられるタイミング情報Tfが、通知されるようになっている。通知されたタイミング情報Tfは各移動局41,42…の記憶部Ｍに各々書き込まれ、コネクションが確立している期間中記憶され、通信終了時にクリアされるようになっている。そして、基地局２から送信される無線フレームを各移動局41,42…が受信すると、各移動局41,42…は記憶部Ｍから読み出したタイミング情報Tfを参照して、フレームオフセット値を検知する。これにより、各移動局41,42…は、物理無線フレームに対して、当該コネクションに対応する論理無線フレームの先頭位置を判別することができる。
論理無線フレームを受信した各移動局41,42…は、論理無線フレームを受信したタイミングに従って、基地局２へ無線フレームを送信する。無線フレームを受信した基地局３は送受信装置32において、変復調などの処理を行った後、無線フレームをパケット化して、パケット多重装置33に出力する。パケット多重装置33は複数コネクションのパケットを多重搭載して、伝送リンクL2を介して交換局２に伝送する。
これらの処理によって、各移動局41,42…から基地局３のパケット多重装置33に到着するパケットタイミングは、下り基地局３における論理無線フレーム送信タイミング（基地局３から各移動局41,42…への送信タイミング）に従うことになる。ここで、下り基地局３における論理無線フレーム送信タイミングは、タイミング情報Tfによって、割当数が平均化されるように分散されるから、上り基地局２におけるパケット多重装置33におけるパケット入力タイミングも平均化される。したがって、基地局３における下り論理無線フレームタイミングを平均化することによって、上り基地局３から交換局２への伝送リンクL2の使用効率を向上させることができる。
2.実施形態の動作
以下、図面を参照しつつ、本実施形態の動作を説明する。
２−1:下り経路の処理
まず、交換局２から移動局41への下り経路の処理について説明する。図８は下り経路の処理の内容を示すフローチャートである。
図において、コネクション設定要求があると、タイミング制御装置22は、これを検知して（ステップS1）、タイミング情報Tfの生成処理を行う（ステップS2）。この場合、タイミング制御装置21の制御部221は、割当数テーブル223を検索して、割当数が最小のフレームオフセット値をタイミング情報Tfとして生成する。例えば、フレームオフセット値１〜15に対応する割当数X1〜X15がいずれも「10」以上であり、フレームオフセット値０に対応する割当数X0が「９」であるならば、フレームオフセット値０を示すタイミング情報Tfが生成される。
生成されたタイミング情報Tfは、交換局２のパケット送受信装置21と基地局３の送受信装置32に通知され（ステップS3）、コネクションと対応付けられて記憶される。また、送受信装置32から移動局41に無線フレームの制御チャネルを介してタイミング情報Tfが送信されると、移動局41は、受信したタイミング情報Tfを記憶部Ｍに記憶する。これにより、各ノードは、コネクションに対応するタイミング情報Tfを取得するので、当該タイミング情報Tfが示すフレームオフセット値に従って通信を行うことが可能となる。
次に、パケット送受信装置21が、タイミング情報Tfの指定するフレームオフセット値に従ってパケット生成処理を行うと、パケット多重装置23は、各コネクションからのパケットを多重搭載して、伝送リンクL1に送出する（ステップS5）。上述したようにタイミング情報Tfには割当数が最小のフレームオフセット値が設定されるから、パケットの生起タイミングはパケット送信周期の中で平均化される。したがって、送信待ち時間を抑制することができるので、遅延条件の厳しいデータや周期的に生起するデータであっても、伝送容量が比較的少ない伝送リンクL1を用いて伝送することが可能となる。
次に、伝送リンクL1を介して送信されたデータを基地局３が受信すると、多重されたパケットがパケット分離装置によって分離される（ステップS6）。この後、送受信装置32は、分離されたパケットを無線フレームに変換する。この際、送受信装置32はステップS3で通知されたタイミング情報Tfが示すフレームオフセット値分だけずらしたスロットに論理無線フレームの先頭位置を設定する。例えば、フレームオフセット値が「０」であるならば、移動局41との間の論理無線フレームは図６（ｂ）に示すものとなる。
このようにして構成された無線フレームが移動局41に送信されると（ステップS7）、移動局41は、記憶部Ｍに記憶しているタイミング情報Tfを読み出して、そのフレームオフセット値に従って、論理無線フレームが開始するスロット位置を検知する。そして、移動局41は、検知した論理無線フレームの開始位置に基づいて受信処理を行いデータを取得する（ステップS8）。なお、この受信処理には、CDMA無線方式による送信電力制御ビットを受信し、送信電力を設定する処理が含まれる。
２−2:上り処理
次に、移動局41から交換局２への上り経路の処理について説明する。図９は上り処理の内容を示すフローチャートである。
図において、移動局41は、上述したステップS8で受信した論理無線フレームのタイミングに従って、基地局３へ無線フレームを送信する（ステップS10）。次に、基地局３の送受信装置32は、無線フレームをパケット化してパケット多重装置33に出力する（ステップS11）。この場合、パケット多重装置33に到着するパケットのタイミングは、基地局３が受信した論理無線フレームのタイミングに依存するから、多数のパケットが競合することはない。
この後、複数のパケットがパケット多重装置33によって多重搭載され（ステップS12）、伝送リンクL2を介して交換局２に伝送される（ステップS13）。次に、多重されたパケットが伝送リンクL2を介して交換局２に入来すると、パケット分離装置24は各コネクション毎にパケットを分離する（ステップS14）。この後、パケット送受信装置21は、パケット化されたデータに所定の変換処理を施して、通信網１へ送信する。
このように、上り処理にあっては、移動局41の論理無線フレームの受信タイミングに従って、上り論理無線フレームのタイミングが調整される。そして、これに伴って、パケット多重装置33におけるパケット入力タイミングも平均化される。しかしながら、上り処理においても送受信装置32およびパケット送受信装置21にタイミング情報を通知することにより意識的にタイミングを平均化してもよい。したがって、基地局３における下り論理無線フレームタイミングを平均化することによって、上り基地局３から交換局２への伝送リンクL2の使用効率を向上させることができる。
3.シミュレーション結果
次に、本発明者らは、上述した移動体通信システムの効果を確認するために、計算機シミュレーションを行った。このシミュレーションでは、ATMセルに複数コネクションからなるパケットを搭載することが可能なATM伝送方式（AAL Type2）において、伝送路速度を1.5Mbps、パケット長を15オクテット固定、パケット送信周期を10msec、パケット発生確率を50％とした。そして、通信コネクションの送信タイミングをパケット送信周期の中で１〜16分割して周期的に割り当てた場合と、パケット周期の中でランダムなタイミングで送信した場合とを比較した。
図10はシミュレーション結果を示す図である。この図において、縦軸はパケット廃棄率１×10-4を満たす最大の入力コネクション数であり、横軸はパケット多重装置23における多重送信待ち許容時間である。このシミュレーション結果によれば、各パケットの送信タイミングがパケット送信周期で同一（1window）の場合は、12msec程度以上の十分な多重送信待ち許容遅延をもたなければ、伝送路に十分なコネクション数を収容することができない。
一方、パケット送信タイミングをパケット送信周期の中で、８分割（8window）あるいは16分割（16window）して平均的にコネクションを割り当てた場合には、多重送信待ち時間が３〜5msec程度で、十分な数のコネクションが収容可能であることがわかる。
ここで、パケット多重装置23への入力コネクション数を200とし、多重送信待ち許容時間を無限大とした場合の、パケットの平均多重送信待ち時間をシミュレーションした結果を図11に示す。このシミュレーション結果によれば、パケット送信周期の分割数が大きくなるにつれ、多重送信待ち時間を大幅に低減されることがわかる。特に、分割数を16に設定するとパケット送信タイミングがランダムな場合とほぼ同等の待ち時間で送信可能である。これらの結果により、リアルタイム処理が要求されるサービスの通信において、上述した移動体通信システムが有効であることがわかる。
4.まとめ
以上説明したように、本実施形態にあっては、パケット送信タイミング周期の中で、送信タイミングをＮ個のタイミングに分割した。加えて、パケット多重装置23へ到着するパケットが平均化するようにコネクション設定時にＮ分割されたタイミングの選択を行うようにした。このため、遅延条件が厳しくデータ生成に周期性を持つデータ伝送において、複数コネクション間のデータのバースト発生を抑制することができる。この結果、統計多重効果を発揮させることができる。これにより、要求品質を満たしつつ、効率的に伝送リンクを使用することが可能となる。
また、各移動局41,42…と基地局３との間においてコネクションごとの論理無線フレームタイミングを、基地局３が持つ物理無線フレーム送信タイミングと独立に設定することにより、TDM構成をもつ無線フレームにおいても無線容量リソースをタイミングごとに割り当てることなしに、無線フレーム送信タイミングを平均化することができる。また、移動体通信システムの基地局３における上りパケット多重装置23においても、パケット到着タイミングが平均化される。したがって、少ない遅延時間で高い伝送路使用効率を得ることができ、効率的な設備設計が可能となる。
また、本実施形態にあっては、複数のコネクションにおいてデータが発生するタイミングが分散されるから、交換局２や基地局３において、複数のコネクションをまとめて処理する装置の負荷が軽減される。複数のコネクションをまとめて処理する装置としては、例えば、交換局２に配置される高速スイッチや、あるいはハンドオーバーを制御するハンドオーバー制御装置が該当する。
5.変形例
以上、本発明に係わる実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、以下に述べる各種の変形が可能である。
（１）上述した実施形態において、交換局２のパケット送受信装置22に設定されるタイミング情報Tfと基地局３の送受信装置32に設定されるタイミング情報Tfは必ずしも同一値を用いる必要はなく、これらの間に一定の関係があればよい。例えば、交換局２と基地局３との間の伝送遅延、各装置の処理遅延、ATMセルのゆらぎ時間などを考慮して、送受信装置32に設定されるタイミング情報Tfをパケット送受信装置22に設定されるタイミング情報Tfとずらすようにしてもよい。この場合には、各種の遅延時間を考慮してフレームオフセット値を設定できるので、余分な遅延時間を軽減することができる。
（２）また、上述した実施形態において、交換局２のタイミング制御装置22から基地局３の送受信装置22へタイミング情報Tfを通知したが、この場合、タイミング情報Tfは、伝送リンクL1の制御チャネルを用いて伝送してもよいし、あるいは交換局２と基地局３を接続する制御線（図示せず）を用いて伝送してもよい。
（３）また、上述した実施形態において、タイミング制御装置22は交換局２の内部に設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動体通信システムのどこに設けてもよく、例えば、基地局３の内部に設けてもよい。要は、コネクション設定時にタイミング情報Tfを生成し、これを交換局２のパケット送受信装置21と基地局３の送受信装置32に通知できるのであれば、その配置場所は問わない。
（４）また、上述した実施形態において、上りのデータ処理タイミングは、各移動局41,42…が無線フレームを受信したタイミングで処理される。この場合、各移動局41,42…から基地局３へ送信する無線フレームを受信した無線フレームに対して一定時間だけ遅延させてもよく、例えば、1/2タイムスロットだけ遅延させるようにしてもよい。これによりCDMA無線方式における送信電力制御遅延を１タイムスロットとし、制御誤差を低減することが可能となる。
（５）また、上述した実施形態では、移動体通信システムに用いられる伝送リンクL1,L2をパケット通信システムの一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なパケット通信システムに用いてもよいことは勿論である。例えば、伝送レートが155Mbpsである伝送リンクを用いた通信網であってもよい。この場合には、伝送リンクが高速であるため、その待ち時間は大きな問題とはならない。むしろ、データを多重して伝送リンクに送出するスイッチ等において待ち時間が問題となる。しかし、予めコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように処理タイミングを設定するから、通信網を構成する各装置の負荷を軽減することができる。
（６）また、上述した実施形態において、伝送リンクL1,L2は、ATM伝送を行うが、伝送パケットは、AAL Type2 CPS Packetであってもよい。図12はAAL Type2 CPS Packetを用いた処理の流れを示したものである。この図に示すように、１つのATMセルには、複数のCPSパケットP1,P2,…が多重される。各CPSパケットP1,P2…には、個別のユーザーデータを格納する。すなわち、１つのATMセルに複数のコネクションを多重している。仮に、１つのATMセルに対して１つのコネクションを設定すると、１つのATMセルが53バイトと長いため、１つのATMセルにデータが埋まるまでの待ち時間が長くなる。しかし、この伝送方式では、１つのATMセルに複数のコネクションを多重するので、より待ち時間が少なくて済むといった利点がある。
ところで、バースト的に各コネクションからデータが到着すると、交換局２や基地局３に設けられる各装置においてデータ処理の競合が生じる。この場合、問題となるのは、低速の伝送リンクにATMセルを送出する際に生じるATMセル間の競合である。この例では、コネクションを設定する際に、割当数が平均化するようにコネクションを各タイムスロットに割り当てるので、ATMセルを時間的に分散して生成している。低速の伝送リンクを用いても円滑にATMセルを伝送することが可能となる。
Claims (4)
- 複数のコネクションからの各データフレームを、複数のタイムスロットから構成される無線フレームを用いて伝送する無線フレーム伝送方法において、
前記コネクションを設定する際に、前記各データフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記データフレームのデータ処理タイミングを設定するステップと、
前記データ処理タイミングに従って生成された前記無線フレームを伝送するステップとを備えることを特徴とする無線フレーム伝送方法。 - 複数の移動局と、前記各移動局と無線リン クを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リン クを介して接続される交換局とを備えた移動体通信シス テムに用いられる移動体通信方法において、
前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定す る際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割 り当てるコネクション数が平均化するように前記コネク ションのパケット処理タイミングを設定するステップ と、
前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネク ションからの下りデータフレームの先頭位置が、無線フ レームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てら れるように前記下りデータフレームのデータ処理タイミ ングを設定するステップと、
前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タ イミングに従って前記コネクションのパケットを送信す るステップと、
前記基地局から前記移動局へ、前記データ処理タイミン グに従って生成された前記下り無線フレームを送信する ステップと
を備えることを特徴とする移動体通信方法。 - 請求項２記載の移動体通信方法において、
前記基地局は、前記下り無線フレームの送信に先立って前記データ処理タイミングを前記移動局に通知し、
前記移動局は、通知された前記データ処理タイミングに基づいて、前記下り無線フレームの中から前記下りデータフレームの先頭位置を検知し、
前記移動局は、前記下りデータフレームの受信タイミングに基づいて、上りデータフレームの開始位置を設定した上り無線フレームを前記基地局に送信する
ことを特徴とする移動体通信方法。 - 複数の移動局と、前記各移動局と無線リンクを介して接続される基地局と、前記基地局と伝送リンクを介して接続される交換局とを備え、前記基地局から前記移動局へ、複数のタイムスロットから構成される下り無線フレームを用いて下りデータフレームを送信する移動体通信システムにおいて、
前記交換局と前記移動局との間でコネクションを設定する際に、パケット周期の中を分割した各タイミングに割り当てるコネクション数が平均化するように前記コネクションのパケット処理タイミングを設定するパケットタイミング制御手段と、
前記交換局と前記基地局との間で、前記パケット処理タイミングに従って前記コネクションのパケットを送信するパケット送信手段と、
前記パケット処理タイミングに基づいて、前記各コネクションに対応する下りデータフレームの先頭位置が、前記無線フレームを構成する各タイムスロットに均等に割り当てられるように前記下りデータフレームの処理タイミングを各々設定する無線フレームタイミング制御手段と、
前記処理タイミングに従って生成された前記下り無線フレームを送信する無線フレーム送信手段と
を備えたことを特徴とする移動体通信システム。
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