JP4280681B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置に関する。

同一エリアに複数の無線ＬＡＮ基地局が設置されている状況で、緊急通信などの際に、特定の基地局にトラフィックが集中する場合、一部の端末が、トラフィックの少ない基地局に接続を切り替えることで集中を解消することができる。ここでは、トラフィック集中の検出や切り替えのタイミング制御を行うにあたっては、固定網の負荷を減らすため、なるべく端末間の分散制御で実行できることが望まれる。

これを実現するための既存の手法としては、その基地局に接続する端末がより空いている基地局に接続を切り替える。ここでは切り替える確率は全ての端末で同一である。

しかし、一般に基地局に接続する端末が扱う通信コネクションとしては、音声、ビデオ、データ通信、制御通信等様々なものが混在し、そのデータレートは、トラフィックの種類によって多様である。例えば、音声通信の場合は数十kbps、ビデオ通信なら数十kbps−数Mbps、データ通信なら数百kbps−数十Mbps等が一般的である。

従来技術では、トラフィック集中が生じた場合、各通信コネクションは、データレートに関係なく、同一の確率で切り替えを行うことから、音声のようなデータレートの小さい通信コネクションが多数切り替えを行う場合があると考えられる。しかし、接続の切り替えは端末側で通信品質の一時的な劣化を引き起こすため、切り替えを行う端末の台数は可能な限り少なく抑える必要がある。

なお、本発明に関連すると考えられるものとして、次のものがある（特許文献１、２、３参照）。
特開２０００−２９５６５０号公報 特開２０００−１６５９４６号公報 特開２００３−６０６５７号公報

本発明の課題は、基地局の切り替えを行う端末の台数を可能な限り少なく抑えるための技術を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置であって、自身が接続する基地局のチャネル負荷がしきい値よりも大きく、且つ、他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷がしきい値よりも小さい場合に、基地局切り替え確率を算出する算出手段と、前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える切替手段と、を備える構成とした。

本発明によれば、（例えば実施形態の式１に従って）基地局切り替え確率が算出され、この基地局切り替え確率に基づいて、通信相手基地局を切り替える。従って、例えば、実施形態に示す式１のように、自己が扱う通信コネクションのデータレートRiを含む式に従って、基地局切り替え確率を算出することで、切り替えを行う端末の台数を可能な限り少なく抑えることが可能となる。

また、このようにすれば、自身が接続する基地局のチャネル負荷がしきい値よりも大きく、且つ、他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷がしきい値よりも小さい場合にのみ、切り替えることが可能となる。すなわち、無駄な切替を防止することが可能となる。

また、上記無線通信装置においては、例えば、前記基地局切り替え確率が乱数値を越えた場合に、前記切替手段は、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える。これは切り替え条件の例示である。従って、他の条件で切り替えるようにしてもよい。

本発明は、上記無線通信装置を搭載した車両として特定することができる。

また、本発明は、通信方法の発明として次のように特定することができる。

基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置における通信方法であって、基地局切り替え確率を算出するステップと、前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替えるステップと、を備える無線通信方法。

また、本発明は、プログラムの発明として次のように特定することができる。

基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置を、基地局切り替え確率を算出する算出手段、前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える切替手段、として機能させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラム。

本発明によれば、基地局切り替え確率が算出され、この基地局切り替え確率に基づいて、通信相手基地局を切り替えることから、例えば、基地局切り替え確率を算出するための適切な式（例えば実施形態の式１）用いることで、切り替えを行う端末の台数を可能な限り少なく抑えることが可能となる。

（システムの概要）
本発明の一実施形態である無線通信システムについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態である無線通信システムの概略を説明するための図である。これは、同じエリアに、異なる事業者が運営する無線ＬＡＮホットスポット（登録商標）Ａ，Ｂの基地局が設置されていると想定したものである（以下、無線ＬＡＮホットスポットを略して単にホットスポットと呼ぶ）。なお、無線ＬＡＮホットスポットとは、無線ＬＡＮのアクセスポイントを設置し、無線でのインターネット接続サービスを不特定多数の利用者に提供している空間を指す。

基地局一基が利用する周波数チャネルの数は上り／下り共通で1チャネルとし、図１中の２つの基地局は異なる周波数チャネルを利用する。

一方、図１中に示す各車両には、無線ＬＡＮトランシーバ１０，２０を備える端末１〜
５（図２参照）が搭載されている。なお、図１では、端末１〜５を例示するがこれは説明の便宜のためであるので、端末の数はこれらに限定されない。

端末１〜５は、車載コンピュータやいわゆるカーナビなどのモバイル端末（以下単に端末という）であり、その全体の動作を司るＣＰＵなどの制御装置、これにバスなどを介して接続された、メモリ（いずれも図示せず）及び２つの無線ＬＡＮトランシーバ１０，２０などを備えている。各無線ＬＡＮトランシーバ１０，２０は、カードの形態で着脱可能に端末に装着されていてもよいし、端末１〜５に内蔵されていてもよいし、あるいは他の形態で端末１〜５に接続されていてもよい。

一般に無線ＬＡＮトランシーバの動作モードには、基地局と接続するインフラストラクチャモード（以下略してインフラモード）と、基地局を介さずに他の端末と接続するアドホックモードの２つがある。一方の無線ＬＡＮトランシーバ１０はインフラモードに設定される。固定網に置かれたサーバや他の端末との間に通信コネクションを設定したい場合は、端末はホットスポットＡ，Ｂのどちらかの基地局に接続する。他方の無線ＬＡＮトランシーバ２０は、アドホックモードに設定され、周囲の端末と接続する。

アドホックモードに設定された無線ＬＡＮトランシーバ２０では、マルチホップでの通信が可能である。これにより実現されるネットワークをここではアドホック網と呼ぶ。図1中の破線の円は、アドホック網における各端末の無線ＬＡＮトランシーバ２０の通信範囲を示している。アドホック網は、基地局のトラフィックに関する情報を端末間で交換する手段として用いられる。

本実施形態のシステムにおいて、発明方式は、端末においてのみ動作し、基地局は動作に関与ししない。また、説明を簡単にするため、全ての端末は静止しているものとする。（用語の定義）
図1に示したシステム例に関する用語と、動作パラメータに関する用語を以下で定義する。
（システム例に関する用語の定義）
基地局の最大スループット（単位 bps）とは、基地局が単位時間当たりに送受信可能なパケットのビット数の最大値をいう。以下では、Thmaxで表す。例えば、IEEE802．11bでは、パケットサイズが1500バイトの場合、最大スループットは約5Mbpsとなる。

通信コネクションのデータレート（単位 bps）とは、一つの通信コネクションにおいて、端末が単位時間当たりに送受信するパケットのビット数をいう。説明簡略化のため、本実施形態では通信コネクションのデータレートは通信の開始から終了まで一定であるとする。以下では、図1における端末I(＝1…5)が設定する通信コネクションのデータレートの総和をRiで表す。

基地局のチャネル負荷（単位なし）とは、基地局が現在扱っている全ての通信コネクションのデータレートの和を、基地局の最大スループットで割った値をいう。以下では、図１で示すホットスポットA、Bの基地局のチャネル負荷をそれぞれρA、ρBで表す。
（動作パラメータに関する用語の定義）
高負荷状態のしきい値（単位なし）とは、基地局が多くのトラフィックを救う高負荷状態にあるかどうかを、基地局のチャネル利用率によって判断するためにあらかじめ設定される値をいう。基地局のチャネル負荷がこの値を超えると、その基地局は高負荷と判断され、後述するように、各端末は基地局の切り替え動作を開始する。以下では、高負荷状態しきい値を、ρthで表す。

次に、上記構成の無線通信システムにおける動作について図面を参照しながら説明する
。図３は、本実施形態の無線通信システムにおける動作を説明するためのフローチャートである。なお、フローチャート中のパラメータとその数値例としては、図1に示したものを用いる。
（１）各端末１〜５は、周期Ｔ毎に、自己が接続する基地局Ａ又はＢのチャネル負荷（チャネル利用率ともいう）ρA、ρBを測定する（Ｓ１００）。具体的には、各端末１〜５は、自己のインフラモードの無線ＬＡＮトランシーバ２０を自己宛でないパケットも受信できるように設定（例えば盗聴モードに設定）して、自己が接続している基地局が扱っている通信コネクションのデータレートを測定する。そして、ある決められた時間間隔Ｔ（例えば５秒）毎に、Ｔの時間で平均したチャネル負荷を測定する。なお、端末１〜５ごとに、測定を行う時間のタイミングは異なっているものとする。

例えば、図１では、各端末１〜４は、基地局Ａに接続しているので、基地局Ａが現在扱っている全ての通信コネクションのデータレートの和を、基地局Ａの最大スループットで割った値をチャネル負荷ρAとして求める。また、図１では、端末５は、基地局Ｂに接続しているので、基地局Ｂが現在扱っている全ての通信コネクションのデータレートの和を、基地局Ｂの最大スループットで割った値をチャネル負荷ρBとして求める。
（２）各端末１〜５は、Ｓ１００の直後に、アドホック網を用いて、測定した基地局のチャネル負荷の値を、他の端末に通知（広告ともいう）する（Ｓ１０１）。これは、アドホックモードに設定された無線ＬＡＮトランシーバ２０が行う。例えば、測定した基地局のチャネル負荷ρA（又はρB）、基地局識別子、及び測定時刻を含むパケットを、所定ホップ数を設定してブロードキャストすることが考えられる。

同様に、各端末１〜５は、他端末１〜５から送信される、基地局のチャネル負荷の値ρB又はρAを受信する。これにより、各端末１〜５は、自端末が接続していない基地局のチャネル負荷の値を知る。
（３）次に、各端末１〜５は、自端末が接続する基地局のチャネル負荷ρA（又はρB）と、他の基地局のチャネル負荷ρB（又はρA）の各々を、予め設定された高負荷状態しきい値ρthと比較する（Ｓ１０２）。どちらかの基地局が高負荷状態であると判断された場合、Ｓ１０３に進み、そうでなければＳ１００に戻る。

例えば、基地局のチャネル負荷ρA又はρBの数値例が図１に示すとおりであり、さらに高負荷状態しきい値ρthの値が0．6であるとすれば、各端末１〜５は、ホットスポットＡの基地局が高負荷状態にあると判断し、基地局Ａに接続している端末１〜４がＳ１０３に進む。
（４）接続するホットスポットＡの基地局が高負荷状態であると判断した端末１〜４は、仮に自端末が基地局Ｂに接続を切り替えた際に、基地局Ｂが高負荷状態にならないかどうかをチェックする（Ｓ１０３）。このため、各端末i（i=1，2，3，4）のデータレートの総和Riに関して、（ρB＋（Ri／Tmax）＜ρth）が成り立つかどうかをチェックし、成り立てばＳ１０４に進む。成り立たなければＳ１００に戻る。 例えば、図1の例では、端末１〜４の全てに対して上記の式がなりたつので、いずれもが、Ｓ１０４に進む。なお、ここで用いるρBはＳ１０１で各端末１〜４が端末５から受信したものである。
（５）次に、各端末１〜４は、自端末の基地局切り替え確率Pswitchを次の式１で計算する。

ただし、Riは端末iの扱う通信コネクションのデータレートを表す。Rkは端末iを含めて基地局Aに接続している全端末が扱う通信コネクションのうち、Ｓ１０２、Ｓ１０３を満たす通信コネクションのデータレートを表す。なお、Ri，Rkの値は、Ｓ１００の動作で取得することができる。
（６）そして、[0,1]の区間で乱数を発生させ、その乱数とPswitchとを比較し（Ｓ１０５）、乱数がPswitchより小さければ、Ｓ１０６に進み（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、接続する基地局を切り替える（Ｓ１０６）。そうでなければＳ１００に戻る（Ｓ１０５：Ｎｏ）。

これらの動作により、決定される、端末１〜４の基地局切り替え確率を表1に示す。

従来の、端末が同一の確率で切り替えを行う方式では、例えば、端末３，４が切り替えを行う場合は、２台以上が切り替えを行わないと基地局Ａの高負荷状態が解消されない。一方、本実施形態では、上の表に示したように、端末１、２のいずれかが切り替えを行う可能性が高くなる。この場合、端末１、２のいずれかが切り替えを行えば、基地局Ａは高負荷状態ではなくなるため残りの端末は切り替えを行う必要がなくなり、切り替えを行う端末台数の低減を図ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態のシステムによれば、複数の無線基地局Ａ，Ｂが、同じエリアに設置され、複数の端末１〜４、５が、それらの無線基地局に接続している状況の中で、特定の基地局のトラフィック量が、決められたしきい値よりも高い場合には、その基地局に接続する端末が、ある確率でトラフィック量の低い別の基地局に接続を切り替えることで基地局間のトラフィック量の均等化を図る。

既存の方式では、すべての端末が同じ確率で切り替えを行うのに対し、発明方式は、データレートの大きい通信コネクションを扱っている端末が、より高い確率で基地局切り替えを行うことで、全体で、基地局切り替えを行う端末の総数を低減する。

一般に、接続基地局を切り替える動作は、端末側で、一時的な通信品質の劣化を招くが、本方式では、その発生回数を低減することができるという点で有効である。

すなわち、データレートの大きい通信コネクションを扱う端末が、小さい通信コネクションを扱う端末より高い確率で接続基地局の切り替えを行うことで、切り替えを行う端末の台数を低減することが可能となる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。

本発明によれば、基地局切り替え確率が算出され、この基地局切り替え確率に基づいて、通信相手基地局を切り替えることから、例えば、基地局切り替え確率を算出するための適切な式（例えば実施形態の式１）用いることで、切り替えを行う端末の台数を可能な限り少なく抑えることが可能となる。

本発明の一実施形態である無線通信システムの概略構成を説明するための図である。 端末の概略構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態である無線通信システムの動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 無線ＬＡＮトランシーバー
２０ 無線ＬＡＮトランシーバー

Claims (7)

1. 基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置であって、
   前記無線通信装置自身が接続する基地局のチャネル負荷がしきい値よりも大きく、且つ、他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷がしきい値よりも小さい場合に、基地局切り替え確率を算出する算出手段と、
   前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える切替手段と、
   を備える無線通信装置。
2. 前記基地局切り替え確率が乱数値を越えた場合に、前記切替手段は、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える、請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記基地局切り替え確率は、基地局に接続されている端末のうち、データレートの大きい通信を行う端末が、小さい通信を行う端末より高い確率で通信相手基地局の切り替えを行うように、算出される、請求項１又は２に記載の無線通信装置。
4. 前記他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷は、前記他の基地局と接続している他の端末から送られる、前記他の基地局の現在のチャネル負荷に基づいて算出される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無線通信装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の無線通信装置を備える車両。
6. 基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置における通信方法であって、
   前記無線通信装置自身が接続する基地局のチャネル負荷がしきい値よりも大きく、且つ、他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷がしきい値
   よりも小さい場合に、基地局切り替え確率を算出するステップと、
   前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替えるステップと、
   を備える無線通信方法。
7. 基地局との間で無線でデータ通信する通信手段を備える無線通信装置を、
   前記無線通信装置自身が接続する基地局のチャネル負荷がしきい値よりも大きく、且つ、他の基地局に接続を切り替えた場合における当該他の基地局のチャネル負荷がしきい値よりも小さい場合に、基地局切り替え確率を算出する算出手段、
   前記基地局切り替え確率に基づいて、前記通信手段の通信相手基地局を切り替える切替手段、
   として機能させるためのコンピュータ読み取り可能なプログラム。
   

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