JP4350487B2 - 無線通信システム、基地局および無線通信端末 - Google Patents

Description

本発明は、送信局（基地局）から受信局（無線通信端末）への下り方向の通信が時分割多重方式によって行われる無線通信システムに関し、特に受信局に対する無線リソースの割当ての改善を図った無線通信システム、基地局および無線通信端末に関する。

無線通信においては、無線チャネルの状態が時間的な変動を持つ。適応変調技術を用いることで、現在の無線チャネルの状態に応じて伝送レートを変更することが可能である。複数の受信局に対して時分割多重で無線リソース（タイムスロット）を割り当てる方式を用いる場合、あるタイムスロットをどの受信局に割り当てるかによって、システム全体の性能が変わる。

非特許文献１においては、品質保証のないベストエフォートサービスを対象としたときに、多少のユーザ間の不公平を許容することで、システム全体のスループットを良くすることが可能なＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｆａｉｒ（ＰＦ）方式が提案されている。この方式では、ある受信局のチャネルの状態が相対的に良好な瞬間を選び、その受信局に割当てを行うことにより、スループットを改善する。この方式は現実のシステムでも採用されており、普及している。特許文献１においては、ＰＦ方式を改良し、ユーザ間の不公平性の程度をパラメータによって調節可能とすることが記載されている。また、非特許文献２においては、動画配信のようなリアルタイム性の要求されるアプリケーションを対象として、送信局側の送信バッファ内データ量に着目して品質を保証する方式が提案されている。
特開２００２−１７１２８７号公報 Ａ．Ｊａｌａｌｉ，Ｒ．Ｐａｄｏｖａｎｉ，Ｒ．Ｐａｎｋａｊ，「Ｄａｔａ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ ｏｆ ｃｄｍａ−ｈｄｒ ａ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｙｓｔｅｍ」，ＶＴＣ−２０００ Ｓｐｒｉｎｇ，２０００，ｐ．１８５４−１８５８ Ｓ．Ｓｈａｋｋｏｔｔａｉ，Ａ．Ｓｔｏｌｙａｒ，「Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ａ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ａｎｄ ｎｏｎ−ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｉｎ ＨＤＲ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＴＣ−１７，２００１，ｐ．７９３−８０４

動画配信のようなリアルタイムアプリケーションを使用するためには、通信システムに一定以上の品質が要求される。しかし、特許文献１や非特許文献１に記載された方式においては、システム全体のスループットは改善されるが、個々の通信に対して絶対的な品質の保証は行われない。また、非特許文献２に記載された方式においては、非特許文献１に記載される、現在普及しているＰＦ方式との共存が考慮されておらず、送信バッファ内データ量に基づいて割当てを行うため、現在広く普及しているＴＣＰのように送信元レート制御を伴う上位層プロトコルと干渉するため、現実のシステムへの導入が難しい。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、システム全体のスループットを改善すると共に、リアルタイムアプリケーションの品質を保証することができ、かつＰＦ方式との親和性が高い無線通信システム、基地局および無線通信端末を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、情報を送信する基地局と、該基地局によって決定されるタイムスロットにおいて前記基地局から前記情報を受信するＭ個（Ｍは自然数）の無線通信端末とを具備する無線通信システムにおいて、前記無線通信端末は、ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおける自端末の割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）（ｊは前記Ｍ以下の自然数であり、無線通信端末の区別に用いられる番号である）を検出する第１の検出手段と、自端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段によって検出された前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記第２の検出手段によって検出された前記ｂ_ｊ（ｎ）を前記基地局へ通知するための情報を前記基地局へ送信する送信手段とを備え、前記基地局は、前記無線通信端末によって送信された前記情報を受信する受信手段と、前記受信手段によって受信された前記情報が示す前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記ｂ_ｊ（ｎ）に基づいて、前記Ｍ個の無線通信端末に対する前記ｎ番目のタイムスロットの割り当てを決定するスケジュール手段とを備えたことを特徴とする無線通信システムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の無線通信システムにおいて、前記スケジュール手段は、前記Ｍ個の無線通信端末がリアルタイムアプリケーションに対応した無線通信端末である場合に、Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、ただし、Δｂ_ｊ（ｎ）はｊ番目の無線通信端末の前記ｂ_ｊ（ｎ）の変動量を示し、Ｂ_ｊは前記ｊ番目の無線通信端末の受信バッファ容量を示し、Δｔは１タイムスロットの長さを示し、ｙ_ｊ ^＊は前記ｊ番目の無線通信端末で動作しているアプリケーションの所要スループットを示す、なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、０≦ｂ_ｊ（ｎ）＜ｂ_ｊ ^ｍｉｎの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝Ｌ、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）、ただし、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））は関数であり、Ｌは定数であり、ｘ_ｊ（ｎ）は前記ｊ番目の無線通信端末の優先度を示す値であり、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ＝ｙ_ｊ ^＊Δｔである、なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、ｂ_ｊ（ｎ＋１）＜ｂ_ｊ ^Ｌの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｃｘ_ｊ（ｎ）、ｂ_ｊ ^Ｌ≦ｂ_ｊ（ｎ＋１）≦ｂ_ｊ ^Ｈの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）、ｂ_ｊ ^Ｈ＜ｂ_ｊ（ｎ＋１）の場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｃ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、ただし、Ｃ、ｂ_ｊ ^Ｌおよびｂ_ｊ ^Ｈは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の無線通信システムにおいて、前記Ｍ個の無線通信端末の中にＮ個（ＮはＭ以下の自然数）のベストエフォートクラスの無線通信端末がある場合、前記スケジュール手段はさらに、前記Ｎ個のベストエフォートクラスの無線通信端末に対して、Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられなかった場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｄｘ_ｊ（ｎ）、ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられた場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｄ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、ただし、Dは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記タイムスロットを割り当てることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、Ｍ個（Ｍは自然数）の無線通信端末に対するタイムスロットの割り当てを決定し、タイムスロットが割り当てられた無線通信端末へ情報を送信する基地局において、前記無線通信端末によって送信された、ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおいて前記無線通信端末に割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）および前記無線通信端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）に関する情報を受信する受信手段と、前記受信手段によって受信された前記情報が示す前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記ｂ_ｊ（ｎ）に基づいて、前記Ｍ個の無線通信端末に対する前記ｎ番目のタイムスロットの割り当てを決定するスケジュール手段とを具備することを特徴とする基地局である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の基地局において、前記スケジュール手段は、前記Ｍ個の無線通信端末がリアルタイムアプリケーションに対応した無線通信端末である場合に、Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、ただし、Δｂ_ｊ（ｎ）はｊ番目（ｊは前記Ｍ以下の自然数）の無線通信端末の前記ｂ_ｊ（ｎ）の変動量を示し、Ｂ_ｊは前記ｊ番目の無線通信端末の受信バッファ容量を示し、Δｔは１タイムスロットの長さを示し、ｙ_ｊ ^＊は前記ｊ番目の無線通信端末で動作しているアプリケーションの所要スループットを示す、なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、０≦ｂ_ｊ（ｎ）＜ｂ_ｊ ^ｍｉｎの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝Ｌ、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）、ただし、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））は関数であり、Ｌは定数であり、ｘ_ｊ（ｎ）は前記ｊ番目の無線通信端末の優先度を示す値であり、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ＝ｙ_ｊ ^＊Δｔである、なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、ｂ_ｊ（ｎ＋１）＜ｂ_ｊ ^Ｌの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｃｘ_ｊ（ｎ）、ｂ_ｊ ^Ｌ≦ｂ_ｊ（ｎ＋１）≦ｂ_ｊ ^Ｈの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）、ｂ_ｊ ^Ｈ＜ｂ_ｊ（ｎ＋１）の場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｃ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、ただし、Ｃ、ｂ_ｊ ^Ｌおよびｂ_ｊ ^Ｈは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の基地局において、前記Ｍ個の無線通信端末の中にＮ個（ＮはＭ以下の自然数）のベストエフォートクラスの無線通信端末がある場合、前記スケジュール手段はさらに、前記Ｎ個のベストエフォートクラスの無線通信端末に対して、Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられなかった場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｄｘ_ｊ（ｎ）、ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられた場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｄ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、ただし、Dは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記タイムスロットを割り当てることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、基地局によって決定されたタイムスロットにおいて、該基地局によって送信される情報を受信する無線通信端末において、ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおける自端末の割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）を検出する第１の検出手段と、自端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段によって検出された前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記第２の検出手段によって検出された前記ｂ_ｊ（ｎ）を前記基地局へ通知するための情報を前記基地局へ送信する送信手段とを具備することを特徴とする無線通信端末である。

本発明によれば、基地局が無線チャネルの状態および無線通信端末における受信バッファ内のデータ量に応じて、タイムスロットを割り当てる無線通信端末を決定するようにしたことにより、無線通信システム全体のスループットが向上し、リアルタイムアプリケーションの品質が保証されるという効果が得られる。また、ＰＦ方式との親和性が高く、既存の無線通信システムへの適用が容易であるという効果も得られる。

以下、図面を参照し、この発明を実施するための最良の形態について説明する。リアルタイムアプリケーションは通常、遅延やスループットの変動を吸収するために受信側でバッファリングを行う。アプリケーションは受信バッファから一定レートでデータを取り出していき、データを読み出そうとしたときに受信バッファが空であれば、画像の乱れ等のアプリケーション品質の劣化が発生する。また、受信バッファが一杯であれば、受信側はそれ以上データを受信することはできない。

無線通信システム全体のスループットを改善するためには、送信局は受信局のチャネルの状態が相対的に良好な瞬間を選んで送信を行う必要がある。逆に、チャネルの状態が相対的に劣化している間は、スロットの割り当てが受けられない。そのため、受信バッファ内データ量が多いほど、無線チャネルの一時的な劣化への耐性が高まる。本実施形態においては、無線チャネルの状態と受信バッファ内データ量との両方を考慮して、受信局に対するタイムスロット（以下、スロットと称す）の割り当てを行う。

図１は、本発明の一実施形態による無線通信システムの構成を示すブロック図である。本無線通信システムは送信局１（基地局）とＭ台（Ｍは自然数）の受信局２からなり、各受信局２は送信局１と無線チャネルを介した通信を行う。受信局２は、携帯電話、ＰＨＳ（登録商標）、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）などの無線通信機能を有する無線通信端末である。

図２は送信局１および受信局２の構成を示すブロック図である。送信局１において、１０はスケジューラであり、受信局２に割り当てるスロットを決定する。１１は無線データ送信部であり、スケジューラ１０によってスロットが割り当てられた受信局２へデータを送信する。なお、無線データ送信部１１は図示せぬ送信バッファを備えている。１２は無線フィードバック情報受信部であり、受信局２によって送信されたフィードバック情報を受信し、スケジューラ１０へ出力する。

受信局２において、２０は無線データ受信部であり、送信局１によって送信されたデータを受信し、受信バッファ２１へ出力する。受信バッファ２１は無線データ受信部２０から出力されたデータを一時的に蓄積する。アプリケーション部２２は、必要なデータを受信バッファ２１から取り出し、動画再生などに係る処理を行う。受信強度監視部２３は無線データ受信部２０が送信局１から無線信号を受信した際の受信強度を検出し、検出した受信強度から受信局２において割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）を推定し、推定したＲ_ｊ（ｎ）に関する情報を無線フィードバック情報送信部２５へ出力する。ただし、ｎはスロット番号を表し、ｎ＝１，２，３，・・・とする。

２４は受信バッファ内データ量監視部であり、受信バッファ２１内のデータ量を検出する。そして、受信バッファ内データ量監視部２４は受信バッファ２１内のデータ量である受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）に関する情報を無線フィードバック情報送信部２５へ出力する。無線フィードバック情報送信部２５は受信強度監視部２３および受信バッファ内データ量監視部２４から出力された情報に基づいて、割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）および受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）に関するフィードバック情報を作成し、ｎ番目のスロットの開始前に、送信局１へフィードバック情報を送信する。

次に、本実施形態における無線通信システムの動作を説明する。図３は本実施形態における無線通信システムの動作を示すフローチャートである。送信局１においてスケジューラ１０はｎ番目のスロットの開始時に、無線フィードバック情報受信部１２から出力されたフィードバック情報から、受信局２に割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）および受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）を取得する。そして、Ｒ_ｊ（ｎ）、ｂ_ｊ（ｎ）、および受信局２の優先度に関する値ｘ_ｊ（ｎ）に基づいて、ｎ番目のスロットを割り当てる受信局２を決定する（ステップＳ３０１）。ここで、ｍ番目の受信局２にスロットが割り当てられたとする。

続いて、スケジューラ１０は、スロットが割り当てられた受信局２へ送信するデータを無線データ送信部１１へ出力する。無線データ送信部１１は１スロットの長さΔｔの時間、そのデータをレートＲ_ｍ（ｎ）で受信局２へ送信する（ステップＳ３０２）。無線データ受信部２０はこのデータを受信し、受信バッファ２１へ出力する。そして、アプリケーション部２２はｎ番目のスロットの終了時に、次のスロットで使用するデータを受信バッファ２１から取り出す（ステップＳ３０３）。

ｎ番目のスロットが終了したら、各受信局２の受信強度監視部２３は割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ＋１）を推定し、Ｒ_ｊ（ｎ＋１）に関する情報を無線フィードバック情報送信部２５へ出力する。また、受信バッファ内データ量監視部２４は受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ＋１）を検出し、ｂ_ｊ（ｎ＋１）に関する情報を無線フィードバック情報送信部２５へ出力する。そして、無線フィードバック情報送信部２５はフィードバック情報を作成し、送信局１へフィードバック情報を送信する（ステップＳ３０４）。続いて、ｎ＋１番目のスロットの処理が始まり（ステップＳ３０５）、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０５の処理が繰り返される。

次に、本実施形態において、スケジューラ１０が受信局２に対するスロットの割り当てを決定する動作を説明する。Ｍ個の受信局２は、品質保証のない通信形態であるベストエフォートクラスと、リアルタイムアプリケーションを使用し、品質保証が必要な通信形態であるリアルタイムクラスとの２つのクラスに分けられる。受信局２は起動しているアプリケーションによって上記の２つのクラスに分類され、アプリケーションの起動・終了によってクラスが変更される。この場合、受信局２は例えば、送信局１に対してクラス変更の通知を行う。

まず、全受信局２がリアルタイムクラスの場合を考える。図１で示されるように、本無線通信システムには１番目の受信局２からＭ番目の受信局２までのＭ台の受信局２がある。１スロットの長さをΔｔとし、ｎ番目のスロットの開始時点におけるｊ番目（ｊは１以上Ｍ以下の整数）の受信局２の受信バッファ容量をＢ_ｊ、受信バッファ２１でバッファリングされているデータ量をｂ_ｊ（ｎ）とする。ただし、０≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊである。ｊ番目の受信局２のアプリケーションの所要スループットをｙ_ｊ ^＊とする。各受信局２は各スロットの終了時に受信バッファ２１からｙ_ｊ ^＊Δｔのサイズのデータを取り出す。

ｎ番目のスロットは、以下のアルゴリズムによって決定される受信局ｍ（ｎ）に割り当てられる。

［数１］において、Δｂ_ｊ（ｎ）はｎ番目のスロットをｊ番目の受信局２に割り当てた場合の、ｊ番目の受信局２の受信バッファ内データ量の変動であり、
Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）
となる。ただし、ｍａｘ｛Ａ，Ｂ｝＝Ｂ（Ａ≦Ｂ）、ｍｉｎ｛Ａ，Ｂ｝＝Ａ（Ａ≦Ｂ）である。Δｂ_ｊ（ｎ）を定義する上式の右辺において、ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝によって受信バッファ内データ量の上限がＢ_ｊを超えないことが規定され、右辺全体では受信バッファ内データ量の下限が０以上であることが規定されている。

［数１］によるアルゴリズムは、Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を各受信局２について計算し、それらの中で最大となる受信局２にｎ番目のスロットを割り当てることを示している。また、効用関数Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を次式で定義する。

［数２］において、Ｌは非常に大きな正の定数とする。ｂ_ｊ ^ｍｉｎはｎ番目のスロットをｊ番目の受信局２に割り当てなかった場合に、そのスロット終了時点でちょうど受信バッファ２１が空になるような受信バッファ内データ量であり、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ＝ｙ_ｊ ^＊Δｔである。ｘ_ｊ（ｎ）は受信バッファ２１内にデータが一定以上ある場合の、ｊ番目の受信局２の優先度を決定するための値である。［数２］によれば、受信バッファ内データ量がｂ_ｊ ^ｍｉｎ未満の受信局２に対するスロットの割り当て優先度が高い。ｘ_ｊ（ｎ）は各スロット終了時に次式のように更新される。

［数３］において、Ｃは非常に小さな正の定数（例えば、１／１０００）であり、ｂ_ｊ ^Ｌおよびｂ_ｊ ^Ｈは望ましい受信バッファ内データ量の範囲を表すパラメータである。［数３］によれば、受信バッファ内データ量がｂ_ｊ ^Ｌ未満の場合はｘ_ｊ（ｎ）を減少させることにより、ｊ番目の受信局２に対するスロットの割り当て優先度が増加し、受信バッファ内データ量がｂ_ｊ ^Ｈ以上の場合はｘ_ｊ（ｎ）を増加させることにより、ｊ番目の受信局２に対するスロットの割り当て優先度が減少する。なお、ｘ_ｊ（ｎ）の初期値ｘ_ｊ（１）は任意である。

次に、リアルタイムクラスの受信局２とベストエフォートクラスの受信局２とが混在する場合について説明する。ベストエフォートクラスの受信局２については、以下の通りとする。ベストエフォートクラスの受信局２においては、受信バッファ容量を無限大とし（Ｂ_ｊ→∞）、アプリケーション部２２による受信バッファ２１からのデータ取り出し速度が現在の受信バッファ内データ量に比例するとすると、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊが常に成り立つので、
Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）
となる。また、ｂ_ｊ ^Ｌ＝ｂ_ｊ ^Ｈ＝ｂ_ｊ（ｎ）とすると、ｘ_ｊ（ｎ＋１）は次式のようになる。

［数４］において、ｍ（ｎ）≠ｊは、ｎ番目のスロットがｊ番目の受信局２に割り当てられなかった場合を示し、ｍ（ｎ）＝ｊは、ｎ番目のスロットがｊ番目の受信局２に割り当てられた場合を示す。このようにパラメータを割り当てることにより、ベストエフォートクラスの受信局２へのスロット割当て規則は従来のＰＦ方式と等しくなる。これにより、ベストエフォートクラスの受信局２とリアルタイムクラスの受信局２とが混在する場合にも、統一的に扱うことができる。なお、［数３］における定数Ｃおよび［数４］における定数Ｃを同じ値とすることにより、既存のシステムへの適用がより容易となるが、異なる値としてもよい。以上のように、本実施形態においてスケジューラ１０は、無線チャネルの状態（Ｒ_ｊ（ｎ））および受信局２の受信バッファ内データ量（ｂ_ｊ（ｎ））を考慮してスロットの割り当てを行っている。

次に、本実施形態による一実施例を示す。ここでは、従来方式と本実施例による方式との比較として、移動体通信を想定した電波伝搬モデルを含む計算機シミュレーションの結果を示す。従来方式（ＰＦ方式）はそのままではリアルタイムクラスをサポートしないため、以下のようにしている。すなわち、スケジューラはＰＦ方式とするが、受信バッファがあふれないようにするため、データ送信元（例えばストリーミング配信サーバ等）で、予め所要レートに制限して、一定レートで送信を行う。したがって、送信局側の送信バッファには、データが一定間隔で到着する。

本実施例のリアルタイムクラスの受信局においては、初期バッファリングを行うものとする。すなわち、最初は受信バッファからの取り出しは行わずに、ＰＦ方式と同様にスケジューリングを行い、受信バッファ内データ量がバッファ容量の半分に達した時点で、アプリケーションが受信バッファ内からデータの取り出し（動画の再生等）を行うものとする。

図４〜図７にシミュレーションによる結果を示す。図４および図５はそれぞれ従来方式および本実施例による無線通信システムの動作を示すグラフである。ここでは、４台の受信局を仮定し、そのうち２台はベストエフォートクラス、残りの２台はリアルタイムクラスとし、従来方式と本実施例による方式とでそれぞれシミュレーションを行った。本シミュレーションにおいては、Δｔ＝１／６００秒、リアルタイムクラスの所要レートｙ_ｊ ^＊＝６４ｋｂｐｓ、バッファ容量Ｂ_ｊ＝３２ＫＢ、ｂ_ｊ ^Ｌ＝０．１Ｂ_ｊ、ｂ_ｊ ^Ｈ＝０．９Ｂ_ｊ、Ｌ＝１０００００、Ｃ＝０．００１、ｘ_ｊ（１）＝０とした。また、ベストエフォートクラスの所要スループットｙ_ｊ ^＊は受信バッファ内データ量に比例するとしている。

図において、横軸は時間を示し、左縦軸はスループット、右縦軸は受信バッファ内データ容量を示している。ｙ_１およびｙ_２はベストエフォートクラスの受信局の平均スループットであり、ｙ_３およびｙ_４はリアルタイムクラスの受信局の平均スループットである。また、ｂ_３およびｂ_４はリアルタイムクラスの受信局の受信バッファ内データ量である。

従来方式においては、リアルタイムクラスの受信バッファ内データ量が初期バッファリングの容量のまま推移している（図４のｂ_３およびｂ_４を参照）。これは送信局の送信バッファがほとんど空の状態のため、送信バッファにデータが到着した瞬間にスロットが割り当てられているからであり、従来方式はチャネルの状態を考慮したスケジューリングとはなっていない。一方、本実施例による方式においては、リアルタイムクラスの受信バッファ内データ量は高い値で、ある程度の範囲内で上下しながら推移しており（図５のｂ_３およびｂ_４を参照）、チャネルの状態を考慮したスケジューリングが行われている。

そのため、従来方式と比較して、より少ないスロット数でリアルタイムクラスの所要レートを達成しており、その結果、ベストエフォートクラスに割り当てられるスロット数が増加し、ベストエフォートクラスのスループットが従来方式よりも改善されている。また、リアルタイムクラスの受信バッファ内データ量が従来方式よりも高いので、リアルタイムアプリケーションの品質の保証度が高まる。

図６および図７は、８台の受信局があり、そのうちリアルタイムクラスの受信局の数を０（すなわち全てベストエフォートクラス）から８（すなわち全てリアルタイムクラス）まで変化させたときの無線通信システム全体のスループットおよび各クラスごとの合計スループットを示している。横軸は全８台の受信局中のリアルタイムクラスの受信局の数を示し、縦軸はスループットを示している。計算に係るパラメータの値は上述した計算と同様である。図６が示すように、従来方式においてリアルタイムクラスの受信局の数を増加させると、それに比例してベストエフォートクラスのスループットが低下しており、結果として無線通信システム全体のスループットも低下している。この結果は、従来方式がリアルタイムクラスに対して、チャネルの状態を考慮したスケジューリングを行うことができていないことを示している。

一方、図７が示すように、本実施例による方式においては、リアルタイムクラスの受信局が８台中６台以下であれば、無線システム全体のスループットはわずかしか低下していない。これは、本実施例による方式がリアルタイムクラスにスロットの割り当てを行う際に、ＰＦ方式がベストエフォートクラスに割り当てを行うのと同程度の効率で割り当てを行うことができていることを示している。

以上説明したように、本実施形態による無線通信システムにおいては、［数３］および［数４］で示されるように、送信局が無線チャネルの状態Ｒ_ｊおよび受信バッファ内データ量ｂ_ｊに応じて、スロットを割り当てる受信局の優先度を変化させるようにしたことにより、無線通信システム全体のスループットが向上する。また、送信局が受信局の受信バッファ内データ量ｂ_ｊを考慮したスロットの割り当てを行うことにより、リアルタイムアプリケーションの品質保証を実現することができる。

また、本実施形態による方式は従来のＰＦ方式と互換性のあるアルゴリズムで変数の更新を行うので、本方式を既存システムへ適用した場合には、既存システムへの影響を最小限に留めることができる。さらに、送信局は送信バッファ内データ量に依存しない割り当てを行うので、ＴＣＰのようなレート制御を伴う上位層プロトコルとの干渉を防ぐことができ、。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態による無線通信システムの構成を示すブロック図である。 同実施形態による送信局１および受信局２の構成を示すブロック図である。 同実施形態による無線通信システムの動作を示すフローチャートである。 従来方式による無線通信システムの動作を示すグラフである。 本発明の一実施例による無線通信システムの動作を示すグラフである。 従来方式による無線通信システムのスループットを示すグラフである。 本発明の一実施例による無線通信システムのスループットを示すグラフである。

符号の説明

１・・・送信局、２・・・受信局、１０・・・スケジューラ、１１・・・無線データ送信部、１２・・・無線フィードバック情報受信部、２０・・・無線データ受信部、２１・・・受信バッファ、２２・・・アプリケーション部、２３・・・受信強度監視部、２４・・・受信バッファ内データ量監視部、２５・・・無線フィードバック情報送信部。

Claims (7)

1. 情報を送信する基地局と、該基地局によって決定されるタイムスロットにおいて前記基地局から前記情報を受信するＭ個（Ｍは自然数）の無線通信端末とを具備する無線通信システムにおいて、
   前記無線通信端末は、
   ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおける自端末の割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）（ｊは前記Ｍ以下の自然数であり、無線通信端末の区別に用いられる番号である）を検出する第１の検出手段と、
   自端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段によって検出された前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記第２の検出手段によって検出された前記ｂ_ｊ（ｎ）を前記基地局へ通知するための情報を前記基地局へ送信する送信手段とを備え、
   前記基地局は、
   前記無線通信端末によって送信された前記情報を受信する受信手段と、
   前記受信手段によって受信された前記情報が示す前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記ｂ_ｊ（ｎ）に基づいて、前記Ｍ個の無線通信端末に対して、ｊ番目の無線通信端末の前記ｂ _ｊ （ｎ）の変動量を示すΔｂ _ｊ （ｎ）と、前記ｂ _ｊ （ｎ）が０に近いほど大きな値となる関数Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））との積であるΔｂ _ｊ （ｎ）Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））を算出し、該Δｂ _ｊ （ｎ）Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てるスケジュール手段とを備えた
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記スケジュール手段は、前記Ｍ個の無線通信端末がリアルタイムアプリケーションに対応した無線通信端末である場合に、
   Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、
   ただし、Ｂ_ｊは前記ｊ番目の無線通信端末の受信バッファ容量を示し、Δｔは１タイムスロットの長さを示し、ｙ_ｊ ^＊は前記ｊ番目の無線通信端末で動作しているアプリケーションの所要スループットを示す、
   なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、
   ０≦ｂ_ｊ（ｎ）＜ｂ_ｊ ^ｍｉｎの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝Ｌ、
   ｂ_ｊ ^ｍｉｎ≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）、
   ただし、Ｌは定数であり、ｘ_ｊ（ｎ）は前記ｊ番目の無線通信端末の優先度を示す値であり、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ＝ｙ_ｊ ^＊Δｔである、
   なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、
   ｂ_ｊ（ｎ＋１）＜ｂ_ｊ ^Ｌの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｃｘ_ｊ（ｎ）、
   ｂ_ｊ ^Ｌ≦ｂ_ｊ（ｎ＋１）≦ｂ_ｊ ^Ｈの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）、
   ｂ_ｊ ^Ｈ＜ｂ_ｊ（ｎ＋１）の場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｃ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、
   ただし、Ｃ、ｂ_ｊ ^Ｌおよびｂ_ｊ ^Ｈは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、
   なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、
   前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記Ｍ個の無線通信端末の中にＮ個（ＮはＭ以下の自然数）のベストエフォートクラスの無線通信端末がある場合、前記スケジュール手段はさらに、前記Ｎ個のベストエフォートクラスの無線通信端末に対して、
   Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、
   なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、
   Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、
   ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられなかった場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｄｘ_ｊ（ｎ）、
   ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられた場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｄ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、
   ただし、Dは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、
   なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、
   前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記タイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
4. Ｍ個（Ｍは自然数）の無線通信端末に対するタイムスロットの割り当てを決定し、タイムスロットが割り当てられた無線通信端末へ情報を送信する基地局において、
   前記無線通信端末によって送信された、ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおいて前記無線通信端末に割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）および前記無線通信端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）に関する情報を受信する受信手段と、
   前記受信手段によって受信された前記情報が示す前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記ｂ_ｊ（ｎ）に基づいて、前記Ｍ個の無線通信端末に対して、ｊ番目の無線通信端末の前記ｂ _ｊ （ｎ）の変動量を示すΔｂ _ｊ （ｎ）と、前記ｂ _ｊ （ｎ）が０に近いほど大きな値となる関数Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））との積であるΔｂ _ｊ （ｎ）Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））を算出し、該Δｂ _ｊ （ｎ）Ｕ _ｊ （（ｂ _ｊ （ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てるスケジュール手段とを備えた
   を具備することを特徴とする基地局。
5. 前記スケジュール手段は、前記Ｍ個の無線通信端末がリアルタイムアプリケーションに対応した無線通信端末である場合に、
   Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、
   ただし、Ｂ_ｊは前記ｊ番目の無線通信端末の受信バッファ容量を示し、Δｔは１タイムスロットの長さを示し、ｙ_ｊ ^＊は前記ｊ番目の無線通信端末で動作しているアプリケーションの所要スループットを示す、
   なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、
   ０≦ｂ_ｊ（ｎ）＜ｂ_ｊ ^ｍｉｎの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝Ｌ、
   ｂ_ｊ ^ｍｉｎ≦ｂ_ｊ（ｎ）≦Ｂ_ｊの場合は、Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）、
   ただし、Ｌは定数であり、ｘ_ｊ（ｎ）は前記ｊ番目の無線通信端末の優先度を示す値であり、ｂ_ｊ ^ｍｉｎ＝ｙ_ｊ ^＊Δｔである、
   なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、
   ｂ_ｊ（ｎ＋１）＜ｂ_ｊ ^Ｌの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｃｘ_ｊ（ｎ）、
   ｂ_ｊ ^Ｌ≦ｂ_ｊ（ｎ＋１）≦ｂ_ｊ ^Ｈの場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）、
   ｂ_ｊ ^Ｈ＜ｂ_ｊ（ｎ＋１）の場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｃ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、
   ただし、Ｃ、ｂ_ｊ ^Ｌおよびｂ_ｊ ^Ｈは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、
   なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、
   前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記ｎ番目のタイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする請求項４に記載の基地局。
6. 前記Ｍ個の無線通信端末の中にＮ個（ＮはＭ以下の自然数）のベストエフォートクラスの無線通信端末がある場合、前記スケジュール手段はさらに、前記Ｎ個のベストエフォートクラスの無線通信端末に対して、
   Δｂ_ｊ（ｎ）＝ｍａｘ｛０，ｍｉｎ｛Ｂ_ｊ，ｂ_ｊ（ｎ）＋Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ｝−ｙ_ｊ ^＊Δｔ｝−ｂ_ｊ（ｎ）、
   なる式に基づいて前記Δｂ_ｊ（ｎ）を算出し、
   Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））＝１／ｘ_ｊ（ｎ）なる式に基づいて前記Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、
   ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられなかった場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）−Ｄｘ_ｊ（ｎ）、
   ｎ番目のタイムスロットがｊ番目の無線通信端末に割り当てられた場合は、ｘ_ｊ（ｎ＋１）＝ｘ_ｊ（ｎ）＋Ｄ（Ｒ_ｊ（ｎ）Δｔ−ｘ_ｊ（ｎ））、
   ただし、Dは定数であり、ｘ_ｊ（１）は任意の数である、
   なる式に基づいて、ｎ番目のタイムスロット終了時に前記ｘ_ｊ（ｎ＋１）を算出し、
   前記Ｍ個の無線通信端末に対してΔｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））を算出し、該Δｂ_ｊ（ｎ）Ｕ_ｊ（（ｂ_ｊ（ｎ））が最大となる番号の無線通信端末に対して前記タイムスロットを割り当てる
   ことを特徴とする請求項５に記載の基地局。
7. 基地局によって決定されたタイムスロットにおいて、該基地局によって送信される情報を受信する無線通信端末において、
   ｎ番目（ｎは自然数）のタイムスロットにおける自端末の割り当て可能なレートＲ_ｊ（ｎ）を検出する第１の検出手段と、
   自端末の受信バッファ内データ量ｂ_ｊ（ｎ）を検出する第２の検出手段と、
   前記第１の検出手段によって検出された前記Ｒ_ｊ（ｎ）および前記第２の検出手段によって検出された前記ｂ_ｊ（ｎ）を前記基地局へ通知するための情報を前記基地局へ送信する送信手段と、
   を具備することを特徴とする無線通信端末。

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