JP4440300B2 - 無線通信システムの分離型媒体アクセス制御プロトコル構造と、これを用いたデータ送受信方法並びにハンドオーバー方法及びそのシステム - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信システムの通信プロトコル構造、データ送受信方法及び移動端末のハンドオーバー(Handover)方法に係り、特に、セッション情報を用いる無線通信システムの負荷を減らし、通信品質を向上させるための無線通信システムの分離型媒体アクセス制御(Media Access Control:以下、“MAC”という。)プロトコル構造と、これを用いたデータ送受信方法並びにハンドオーバー方法及びそのシステムに関する。
近来、移動通信産業の発達とインターネットサービスに対する使用者要求の増加に伴い、無線インターネットサービスを効率的に提供できる移動通信システムへの必要性も高まってきている。既存の移動通信網は、音声サービスを主な目的として開発されたことから、データ転送帯域幅が比較的小さく、使用料が高いという短所があった。国際標準化機構の一つである電気電子工学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers、以下、“IEEE”という。)のIEEE 802.16標準化グループでは、固定端末に無線広帯域インターネットサービスを提供するための標準としてIEEE 802.16d標準制定を推進中であり、これと同時に、IEEE 802.16dを改善することによって、移動端末(Mobile Subscriber Station:以下、“MSS”という。)に無線広帯域インターネットサービスを提供するためにIEEE 802.16e標準の制定を推進中にある。
これらIEEE 802.16d標準及び802.16e標準は、従来の音声サービスのための無線技術に比べて、データの帯域幅が広いために短時間に大容量のデータを転送でき、全ての使用者がチャネルを共有するためチャネルの効率的使用が可能である。しかしながら、IEEE 802.16d標準は、固定端末を対象にしたもので、MSSについては考慮しておらず、さらに、これを改善してMSSに無線インターネットサービスを提供するために推進されているIEEE 802.16e標準もまた、IEEE 802.16d基盤の上に創られているため、現在、MSSへのサービス提供のための機能が不足している状況である。このMSSへの代表的サービス機能には、ハンドオーバー機能、呼び出し機能、省電力機能などがあり、特にハンドオーバー機能は、移動端末へのサービス提供において必須の機能である。
ハンドオーバー機能は、MSSの移動に応じて該MSSへ通信サービスを提供する基地局を変更する機能であり、MSSに連続した通信サービスを提供するには、ハンドオーバーを行うMSSと基地局間のセッション情報維持が必須とされる。このセッション情報は、MSSと基地局間の通信に必要な様々な情報を含んであるもので、データの転送状態、MSSの機能及び特性、基地局の機能及び特性、MSSに関する認証情報などを含んでいる。
図1は、一般の広帯域無線通信システムにおける移動端末のハンドオーバー過程を概略的に示す図である。
図1において、MSS10は、無線網を通じて基地局(Access Point:AP)20a又は20bに接続し、基地局20a,20bは、有線網1を通じてルータ30に接続することによって、インターネットなどの外部インターネットプロトコル(IP:Internet Protocol)網とパケットデータを送受信する。そして、図1において、MSS10と、基地局20a,20b間に保持されるセッション情報は、MSS10と基地局20a,20bの両方に格納され、MSS10と基地局20a,20bは、同じセッション情報を持続して管理するようになる。
しかしながら、MSS10が現在接続中のサービング基地局(Serving Access Point:S−AP)20aから移動し新しく接続するターゲット基地局(Target Access Point:T−AP)20bにハンドオーバーを行う場合、該MSS10は、既に貯蔵されたセッション情報を、ハンドオーバーにかかわらずに持続して管理することは可能であるが、ターゲット基地局(T−AP)20bは、サービング基地局(S−AP)20aで管理していたセッション情報について知らず、同じセッション情報の維持が困難となる。
このため、MSS10のハンドオーバー過程では、図1のサービング基地局(S−AP)20aとターゲット基地局(T−AP)20b間のセッション情報移動、及びMSS10とターゲット基地局(T−AP)20b間の新規セッション情報設定が要求される。しかしながら、ハンドオーバーに際し、ターゲット基地局(T−AP)20bへ移動されるべきセッション情報の量が多いと、セッション情報の移動または新規セッション情報の設定に時間がかかり、しかも、セッション情報の移動及び新規設定が行われる間は、MSS10が基地局20a,20bからサービス提供を受けなくなるという問題につながる。
本発明は上記目的を解決するためのもので、その目的は、セッション情報を担当する階層と物理階層へのデータ転送を担当する階層とが分離された媒体アクセス制御プロトコル構造及びこれを用いた無線通信システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、移動端末のハンドオーバー時に、基地局同士間のセッション情報移動を最小化する無線通信システムの媒体アクセス制御プロトコル構造及びこれを用いた無線通信システムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、分離された媒体アクセス制御プロトコル構造を用いた無線通信システムの上り及び/または下りデータ転送方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、移動端末のハンドオーバー時に、無線通信システムの負荷を減らし、通信品質を向上させる無線通信システムのハンドオーバー方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明は、無線通信システムのパケット通信のための媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコル構造において、固定した位置で前記パケット転送のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を含む上位MAC階層と、前記上位MAC階層から分離され、前記上位MAC階層と物理階層との間でデータブロックを伝達する下位MAC階層と、前記上位MAC階層と前記下位MAC階層との間で、データ転送のためのアドレス情報として所定のトンネリングヘッダ情報を生成するトンネリング階層と、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、無線通信システムのパケット通信のための媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコル構造において、固定した位置で移動端末とのパケット通信のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を含む上位MAC階層と、前記上位MAC階層から分離され、前記上位MAC階層と物理階層との間で、送受信されるパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックの大きさを無線チャネルの状況に応じて可変的に調整する下位MAC階層と、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムの下りリンクで、インターネットプロトコル(IP:Internet Protocol)網のパケットを移動端末に転送する方法において、上位MAC階層が、前記IP網を通じて受信したパケットを、複数の自動再送要求(ARQ:Automatic Repeat Request)ブロックとして分割するステップと、前記上位MAC階層が、前記ARQブロックの転送のための所定ヘッダ情報と共に少なくとも一つのARQブロックを、下位MAC階層に転送するステップと、前記下位MAC階層が、前記ヘッダ情報に基づいて前記ARQブロックを受信するステップと、前記下位MAC階層が、受信した前記ARQブロックを、前記移動端末に転送するためのパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックに組み立てるステップと、前記下位MAC階層が、前記組み立てられたPDUブロックを、前記移動端末に転送するステップと、を備え、前記MACプロトコルは、セッション情報を管理し、且つ固定した位置を有する前記上位MAC階層と、物理階層と接続され且つ位置変更が可能な前記下位MAC階層とに分離されることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムの上りリンクで、移動端末の転送データをインターネットプロトコル(IP:Internet Protocol)網に転送する方法において、下位MAC階層が、物理階層を通じて前記移動端末の転送データを受信するステップと、前記下位MAC階層が、前記転送データに含まれた少なくとも一つの自動再送要求(ARQ:Automatic Repeat Request)ブロックを抽出するステップと、前記下位MAC階層が、前記ARQブロックの転送のための所定ヘッダ情報と共に少なくとも一つのARQブロックを、前記上位MAC階層に転送するステップと、前記上位MAC階層が、少なくとも一つの前記ARQブロックを受信し、パケットとして組み立てた後、前記IP網に転送するステップと、を備え、前記MACプロトコルは、セッション情報を管理し、且つ固定した位置を有する前記上位MAC階層と、物理階層と接続され且つ位置変更が可能な前記下位MAC階層とに分離されることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムにおいて、サービング基地局と移動端末が移動するターゲット基地局との間で行われるハンドオーバー方法において、前記移動端末がチャネルスキャニングによって前記ターゲット基地局へのハンドオーバーを決定するステップと、前記サービング基地局を通じて前記移動端末のハンドオーバー要求を受信するステップと、前記ターゲット基地局への前記移動端末のハンドオーバー可否を判定するステップと、前記ターゲット基地局にハンドオーバー命令を転送するステップと、前記ターゲット基地局にセッション情報を除くパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送するステップと、を備え、前記MACプロトコルは、前記セッション情報を管理し、且つ固定した位置を有する上位MAC階層と、ハンドオーバー時に、前記サービング基地局から前記ターゲット基地局に位置変更される下位MAC階層とを有することを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、固定した位置で前記パケット通信のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を有する上位MAC階層を含む少なくとも一つの基地局制御器と、前記上位MAC階層と移動端末が接続される物理階層との間で、パケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送する下位MAC階層を含む複数の基地局と、を備えることを特徴とする。
上記目的を達成するための本発明は、媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いてパケット通信を行う無線通信システムにおいて、固定した位置で前記パケット通信のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を含む上位MAC階層と、前記上位MAC階層と分離され、前記上位MAC階層と物理階層との間でパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送する下位MAC階層とを含む複数の基地局と、前記複数の基地局のうちの現在接続中の第1基地局の前記上位MAC階層に前記セッション情報が固定され、前記第1基地局からハンドオーバーする第2基地局に前記下位MAC階層を変更する移動端末と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、広帯域無線通信システムの移動端末のハンドオーバー時に基地局間のセッション情報移動が要求されないため、システム負荷を減らすことが可能になる。また、本発明では、移動端末と基地局間のハンドオーバー過程が簡素化し、セッション情報固定に伴う遅延時間の減少によって、迅速なハンドオーバーが可能になる。なお、MAC構造が上位MAC階層と下位MAC階層とに分離可能な様々なハンドオーバーモデルへ適用可能なため、システム設計の柔軟性が保障される。
以下、本発明に係る好適な実施形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には、可能な限り同一の参照符号及び番号を付し、下記の説明において、公知の技術については、本発明を明瞭にするためにその説明を適宜省略するものとする。
まず、本発明の理解を助けるために、図2及び図3を参照してIEEE 802.16eで定義された一般の媒体アクセス制御(Medium Access Control:以下、“MAC”という。)通信プロトコル構造、セッション情報管理方法及びハンドオーバー方法を簡略に説明する。
図2は、IEEE 802.16eで定義された広帯域無線通信システムのハンドオーバーと関連した一般の通信プロトコルの構造を示す階層図である。
図2に示すように、広帯域無線通信システムのハンドオーバーに関与する階層は、MAC階層210、物理階層であるPHY階層220、及びMAC階層210とPHY階層220をそれぞれ管理する複数の管理階層230a,230b,230cを含む。MAC階層210は、サービス収容補助階層(Service Specific Convergence Sublayer)211、MAC共通補助階層(MAC Common Part Sublayer)212及び保安補助階層(Privacy Sublayer)213からなり、これらの各階層は、サービスアクセスポイント(Service Access Point:SAP)241,242,243を介して相互に接続される。IEEE 802.16eで定義されたMAC階層210は、IEEE 802.16dで定義されたMAC階層構造と同様に、MAC共通補助階層212と保安補助階層213とが互いに接続された構造であることに特徴がある。このようなプロトコル構造は、MAC階層210とPHY階層220とが固定構造で結合されたということを意味し、MSSのハンドオーバーに関する全てのセッション情報が、基地局に格納されなければならないということを意味する。
一方、MSSの移動性を支援するIEEE 802.16eのハンドオーバーは、図2のようなプロトコルを基盤としている。このIEEE 802.16e広帯域無線通信システムのハンドオーバー過程を、図1に挙げて説明すると、下記の通りである。まず、MSS10は、現在接続されているサービング基地局20aの無線チャネルの状態を監視する間に、サービング基地局20aの無線チャネル状態が悪くなると、ハンドオーバーを行うために周辺の他の基地局の無線チャネルを監視する。
そして、MSS10は、隣接する他の基地局にハンドオーバーする必要があると判断すると、サービング基地局20aにハンドオーバー要求メッセージを転送し、サービング基地局20aは、受信したハンドオーバー要求メッセージに含まれた隣接基地局情報を確認した後、MSS10がハンドオーバーするターゲット基地局20bに関する情報が含まれた所定ハンドオーバー応答メッセージを、MSS10に転送する。サービング基地局20aからハンドオーバー応答メッセージを受信したMSS10は、所定のハンドオーバー確認メッセージをサービング基地局20bに転送し、ターゲット基地局20bとの接続を試みる。
図3は、IEEE 802.16eで定義された広帯域無線通信システムのハンドオーバー過程を示す流れ図である。
まず、ステップ301で、図1のMSS10は、チャネルスキャニング(Scanning)を通じて隣接基地局に関する情報を得ると共に、ステップ303で、サービング基地局(S−AP)20aにハンドオーバー要求メッセージ(HO-REQ)を送る。ハンドオーバー要求メッセージを受信したサービング基地局20aは、ステップ305で、ターゲット基地局(T−AP)20bにハンドオーバー通知メッセージ(HO-pre-notification)を転送して、MSS10がターゲット基地局20bにハンドオーバーするということを報知する。その後、ステップ307で、ターゲット基地局20bは、サービング基地局20aにハンドオーバー通知応答メッセージ(HO-pre-notification-response)を転送して、当該MSS10のハンドオーバーを許諾し、このハンドオーバー通知応答メッセージを受信したサービング基地局20aは、ステップ309で、当該応答メッセージを受けたというハンドオーバー確認メッセージ(HO-confirm)を、ターゲット基地局20bに転送すると共に、ステップ311で、当該MSS10にターゲット基地局20の識別ID(T−AP ID)が含まれたハンドオーバー応答メッセージ(HO-RSP)を転送して、MSS10がハンドオーバーするターゲット基地局20bを知らせてやる。
その後、MSS10は、最終的にハンドオーバーする時点になると、ステップ313で、ハンドオーバー表示メッセージ(HO-IND)をサービング基地局20aに転送し、Lフレーム以降にハンドオーバーを開始するということを知らせ、ステップ315で、サービング基地局20aはターゲット基地局20bに、MSS10がLフレーム後にターゲット基地局20bにスイッチングされるということを知らせるハンドオーバー命令(HO-command)を転送してMSS10のハンドオーバー開始を知らせる。そして、ステップ317及び319で、サービング基地局20aは、MSS10の既に格納されたセッション情報(例えば、Service context、service IEs等)と使用者データブロック(すなわち、Protocol Data Unit:以下、“PDU”ともいう。)を、ターゲット基地局20bに転送する。
続いて、ステップ321で、ターゲット基地局20bは、IEEE 802.16eで定義する上りリンクMAPの高速レンジング情報要素(Fast Ranging_IE)を、MSS10に伝達して、MSS10がターゲット基地局20bにレンジング要求を迅速に送信できるようにする。したがって、ステップ323で、MSS10がターゲット基地局20bにレンジング要求メッセージ(RNG-REQ)を転送すると、ステップ325で、ターゲット基地局20bは、MSS10にレンジング応答メッセージ(RNG-RSP)を転送して応答する。上記の過程が終了すると、MSS10は、ターゲット基地局20bに対する同期を獲得し、これにより、ステップ327で、該当のターゲット基地局20bを通じてデータを送受信することが可能になる。
しかしながら、上記のようにハンドオーバーする時にサービング基地局(S−AP)からターゲット基地局(T−AP)に転送すべきセッション情報のデータ量が多いと、セッション情報の移動とターゲット基地局(T−AP)における新規セッション設定に時間がかかり、セッション情報の移動と新規セッションの設定中に、MSSに提供されるサービスが一時中断するという問題につながる。
本発明では、このような問題点を解決するために、基地局の通信プロトコル構造においてMAC階層を上位MAC階層と下位MAC階層とに分ける分離型MAC階層構造を導入し、MAC機能のうち、セッション関連機能を上位MAC階層に固定的に配置し、MSSのハンドオーバーと関連して遅延時間に敏感な機能を、下位MAC階層に配置した、広帯域無線通信システムのための新規なMACプロトコル構造を提案する。
また、本発明では、上位MAC階層でセッション情報を管理し、上位MAC階層とこれから分離された下位MAC階層間のデータ伝達を可能にすることによって、MSSのハンドオーバー時に基地局間セッション情報移動が要求されない広帯域無線通信システムのセッション管理方法を提案し、上記分離型MACプロトコル構造の使用によってセッション情報移動及びセッション情報再設定過程を省いた広帯域無線通信システムのハンドオーバー方法を提案する。
図4は、本発明による広帯域無線通信システムの分離型MACプロトコル構造を示す階層図である。同図において、上位MAC階層410は、例えば、基地局制御器(Access Point Controller:APC)に適用され、上位MAC階層410に分離型構造として接続された下位MAC階層420は、例えば、MSSとデータ送受信を行う基地局(AP)に適用される。
図4のMAC構造は、上位MAC階層410、下位MAC階層420、及び物理階層であるPHY階層430を含む。上位MAC階層410は、MSSのハンドオーバーと関連したセッション関連機能を担当し、また、ネットワークの固定した地点に位置し、MSSがハンドオーバーして基地局を変更してもその位置が変更されないように構成される。これに対し、下位MAC階層420は、MSSのハンドオーバー時にMSSの隣接基地局にその位置が変更され、MSSと直接通信する機能など、遅延時間に敏感な機能を担当することでMSSと高速通信ができるように構成される。
図4において、上位MAC階層410は、セッション関連階層であって、分類(Classification)階層411、パケットヘッダ圧縮(Packet Header Suppression)階層412、暗号化(Encryption)階層413、セッション制御(Session Control)階層414及び自動再送要求(Automatic Repeat Request:以下、“ARQ”ともいう。)階層415を含む。また、下位MAC階層420は、ハンドオーバー時に遅延時間と関連する階層であって、パッキング及び断片(Packing & Fragmentation)階層421、プロトコルデータユニット(Protocol Data Unit:以下、“PDU”ともいう。)処理(processing)階層422及びリンク制御(Link Control)階層423を含む。
なお、図4においてトンネリング(Tunneling)階層440は、例えば、基地局制御器(APC)に固定された上位MAC階層410と、MSSの移動によってその位置が変動する下位MAC階層420間のデータ転送が可能なように、上位MAC階層410から下位MAC階層420に転送される後述するARQブロックの一連番号(Sequence Number)と、これらARQブロックが伝達される下位MACのアドレスとが含まれた所定トンネリングヘッダを生成し、これを、ARQブロックに付ける。一方、下位MAC階層420でMSSからのMAC PDUを受信すると、上位MAC階層410のARQ階層415に送るために、直ちに、MAC PDUに、ARQブロックの一連番号とARQブロックが伝達される上位MACアドレスとが含まれたトンネリングヘッダを付けて上位MAC階層410に転送し、該MAC PDUは、上位MAC階層410のARQ階層415に伝達される。
図4に示す本発明のMAC構造及び図1に示す従来のMAC構造において、相互対応する階層を、下記の表1に示す。
Figure 0004440300
以下、上位MAC階層410と下位MAC階層420を構成する各階層について詳細に説明する。
まず、上位MAC階層410の分類階層411は、IPパケット(Packet)を受け、該パケットの特性をサービス種類別に把握した後、IPパケットを転送するのに適合する接続、すなわち、論理チャネル(Logical Channel)を選択し、IPパケットを当該論理チャネルを通じて、下位階層であるパケットヘッダ圧縮階層412に転送する。本階層では、各IPパケットの特性をサービス種類別に格納して管理し、パケットの特性によってサービス品質(Quality of Service)を定める。パケットの特性やサービス品質は、比較的長時間維持されなければならない情報で、MSSがハンドオーバーをしても持続して維持されなければならない情報であるため、セッション情報に含まれる。
また、上位MAC階層410のパケットヘッダ圧縮階層412は、上位階層である分類階層411から受信したIPパケットのヘッダを圧縮し、これを、下位階層である暗号化階層413に転送することで転送効率を上げる。各パケットの圧縮過程は、以前のパケットの圧縮設定に影響されるため、MSSがハンドオーバーをしても、パケットの圧縮設定に関する情報は持続して維持されなければならないため、上位MAC階層410に含まれなければならない。詳細な圧縮方法は、IEEE 802.16dに開示された標準に従っており、その詳細な説明は省略するものとする。
また、IEEE 802.16eシステムの特性上、MSSと基地局間に送受信されるデータは、他のMSSのアクセスが可能なことから、上位MAC階層410の暗号化階層413は、基地局がMSSに転送するデータを暗号化し、これを他のMSSが解析できないようにし、MSSが暗号化したデータを基地局に送る場合、これを解析して上位階層のパケットヘッダ圧縮階層412に伝達する。なお、このような暗号化のためには、MSSと基地局に所定暗号化キーを設定しこれを持続して維持しなければならず、よって、上位MAC階層410に含まれるわけである。特に、暗号化アルゴリズムの特性上、初期暗号化キー設定には多くの時間がかかるため、上記暗号化機能は、MSSがハンドオーバーを行っても持続してセッションを維持しなければならない。
上位MAC階層410のARQ階層415は、パケット転送の信頼性を保障すべき論理チャネルの接続において、データ転送中にエラーが発生すると再送を行う。この再送動作では、送信端であらかじめ定義されたブロックの大きさにARQブロックを構成して転送すると、受信端で受信したARQブロックを組み合わせ、エラーの発生したARQブロックに対して再送を要求し、この再送要求を受けた送信端では、ARQウィンド(Window)に格納された同ARQブロックを再び転送する。ARQブロックは、広帯域無線通信システムにおけるデータ転送のための基本単位のことをいう。ここで、送信端は、例えば、順方向転送では基地局制御器に対応し、受信端は、該基地局制御器の制御を受ける基地局に対応する。
上記の動作に関して、送信端は、受信端の再送要求を充足させるために、転送したARQブロックを、ARQウィンドに格納していなければならない。ARQウィンドに格納されたARQブロックは、受信端の再送要求時に直ちに再送され、受信端が正常に受信したという確認信号を送信端に転送すると、送信端は、該当AQRブロックをARQウィンドから削除する。このARQブロックの削除によって残った空間は、送信端が新しいARQブロックを受信端に送る場合に再使用される。また、ARQ階層415は、転送されたARQブロックの順序を合せるために一連番号(Block Sequence Number:BSN)を管理し、各ARQブロックを転送する度に該当の一連番号をARQブロックに含めて転送する。
一方、ARQ階層415は、大容量データを処理しなければならない場合、複数のARQブロックを格納するためのARQウィンドが要求される。すなわち、本発明が適用される広帯域無線通信システムの場合、既存の無線通信システムよりも大きい容量のARQウィンドを使用する。したがって、本発明では、ARQ階層415を上位MAC階層210に搭載しているため、MSSがハンドオーバーをしてもARQウィンドの変更が要求されない。
上述の如く、本発明が適用される広帯域無線通信システムでは、ネットワークの固定した地点で、分類階層411、パケットヘッダ圧縮階層412、暗号化階層413及びARQ階層415が、MSSに対するセッションを持続して維持することが好ましい。したがって、上位MAC階層410のセッション制御階層414は、セッション維持に必要な機能と関連する制御メッセージをMSSと送受信する階層で、この制御メッセージは論理チャネルを通じて伝達される。
一方、下位MAC階層420のパッキング及び断片階層421とPDU処理階層422は、各MSSに割り当てられた帯域幅を効率的に使用するためのもので、これは、上位MAC階層410から伝達された各ARQブロックを、実際に転送される一つの大きいブロック(以下、“PDUブロック”と称する。)に組み立てる。この転送ブロックの大きさは、内部スケジューラ(Scheduler)424によって決定される。スケジューラ424は、無線チャネルの状況とトラフィック負荷を考慮して転送ブロックの最適な大きさを決定するが、無線チャネルの状況と転送時間との違いが小さい時に無線資源を効率的に使用することができる。したがって、パッキング及び断片階層421とPDU処理階層422は、下位MAC階層420に位置する。
パッキング及び断片階層421は、データ送信時に、スケジューラ424によって決定されたPDUブロックの大きさに合せてARQブロックを組み立て、組み立てられたARQブロックに、必要によってパッキングサブヘッダ(Packing Subheader)や断片サブヘッダ(Fragment Subheader)を付けるか、または、下位階層であるPDU処理階層422から受信したデータからパッキング/断片サブヘッダを除去してデータを上位MAC階層410に伝達する。ここで、パッキングサブヘッダは、周知のように、MSSに伝達されるパケット、すなわち、サービスデータユニット(Service Data Unit)を一つのMAC PDUとして転送するためのヘッダであり、断片サブヘッダは、サービスデータユニットが大きすぎるため一つのMAC PDUとして転送することが不可能な場合に、該サービスデータユニットを分割して転送するためのヘッダである。
PDU処理階層422は、パッキング及び断片階層421から伝達されたパッキング/断片サブヘッダにMACヘッダを付けて転送ブロックのPDUブロック(すなわち、MAC PDU)を生成し、これをPHY階層430に伝達する。このときに、PDUブロックには、複数のサブヘッダブロック(PSH(packing subheader)またはFSH(fragment subhead))が含まれることができる。なお、これらサブヘッダブロックには、通常、ペイロード(Payload)の開始、中間及び終了を知らせるフィールドが含まれているので、MSSは、分割して転送されるPDUブロックを正確に受信することができる。また、PDU処理階層422は、MSSからのデータ受信時に、PHY階層430から受信したデータからMACヘッダ単位でPDUブロックを抽出し、このPDUブロックからMACヘッダを分離し、これを、上位階層であるパッキング及び断片階層421に転送する。
下位MAC階層420のリンク制御階層423は、最終MAC PDUを伝達するために、MSSの状態及びスケジューリング情報をMSSと送受信する。そして、リンク制御階層423で生成された各種スケジューリング及び制御メッセージは、MSSに対するサービス遅延を防止するよう、PDU処理階層422を通じてMSSに迅速に伝達されなければならない。したがって、リンク制御階層423は、下位MAC階層420に含まれる。
一方、上記の実施形態では、基本的に上位MAC階層で固定的にセッション情報を管理するように構成したが、例えば、ネットワーク遅延や障害などによって遅延が起こる上位MAC階層の移動が要求される場合、他の上位MAC階層へ関連セッション情報を移動するように構成しても良い。
図5は、本発明による広帯域無線通信システムにおけるMSSのMACプロトコル構造を示す階層図である。図5に示すMACプロトコル構造は、上位MAC階層と下位MAC階層が結合された一体型MAC構造となっている。ここで、図5の各補助階層511〜515,521〜524の基本的な動作は、図4の対応する補助階層411〜415,421〜424と同一なので、その詳細説明は省略する。なお、図5のMAC構造では、上位MACと下位MACが分離されないため、図4で説明した上位MACと下位MACとを接続するためのトンネリング階層440が要求されない。
本発明では、上位MAC階層を基地局制御器などに位置させ、下位MAC階層を基地局などに位置させることによって、MSSのハンドオーバー時に、セッション情報は、固定した基地局制御器を通じて管理し、下位MAC階層は、MSSの隣接基地局にその位置を変更する方式でセッション位置を固定し、IP網のデータが移動端末に対して下り方向で転送されるか、移動端末のデータがIP網に対して上り方向で転送される。
図6は、図4のMACプロトコル構造を使用する広帯域無線通信システムの下りリンクにおけるデータ転送過程を示す図である。図6には、上位MAC階層から受信したパケットを下位MAC階層に転送してPDUブロックを生成した後、このPDUブロックをMSSに転送する過程が示されている。
まず、上位MAC階層410と下位MAC階層420のデータ面(Data Plane)S1は、トンネリング階層440を通じて接続される。したがって、基地局制御器など固定した地点に位置する上位MAC階層410は、MSSが接続可能な任意地点に位置している下位MAC階層420とトンネリング階層440を通じて接続可能である。そして、下位MAC階層420は、PHY階層430と直接接続され、よって、MSSの要求に迅速に応答できる。
図6では、ARQ階層415が上位MAC階層410に位置するため、ARQブロックを格納するARQウィンド620もまた、上位MAC階層410に位置する。外部IP網を通じて分類階層411で受信されたパケット610は、図6に示すように、複数のARQブロック620a〜620gに分割されて、ARQウィンド620に一時格納され、下位MAC階層420に伝達される。図6は、AQRウィンド620が620a〜620eのARQブロックを収容可能な大きさに設定された例を示すものである。620a〜620eのARQブロックが転送完了した後、620f,620gのARQブロックが転送される。本発明は、上位MAC階層410から下位MAC階層420に、トンネリングヘッダTHが含まれたARQブロック630を伝達する。該トンネリングヘッダTHは、図4のトンネリング階層440で生成され、各ARQブロックの一連番号と下位MAC階層420のMACアドレスが記録される。
一方、下位MAC階層420は、上位MAC階層410から受信したARQブロックをバッファー635に格納し、格納されたARQブロックは、スケジューラ424で割り当てられた帯域によって、パッキング及び断片階層421とPDU処理階層422を通じてMSSに転送される転送ブロックであるPDUブロック640として生成される。そして、図6において破線で表示されたデータ再送過程R1は、再送手順によって下位MAC階層420に転送されるARQブロックを示すものである。図6の参照符号R1は、例えば、3番ARQブロックが再送される過程を示している。なお、図6で、PSHは、前述のパッキングサブヘッダを意味し、MHは、MACヘッダを意味する。その他PDUブロックの生成に必要な手順は、既存802.16d標準に従うので、その詳細説明は省略する。
図7は、図4のMACプロトコル構造を使用する広帯域無線通信システムの上りリンクでデータ転送過程を示す図で、図7では、下位MAC階層から受信した移動端末のPDUブロックが、上位MAC階層に伝達された後、パケットとして生成されてIP網に転送される過程を説明する。
なお、図7において、図6と同じ構成には同じ参照符号を付け、その詳細説明は省略する。
図7において、下位MAC階層420は、PHY階層430から受信したPDUブロック640から分離されたARQブロックに、その一連番号と上位MAC階層410のMACアドレスが含まれたトンネリングヘッダTHを付けて上位MAC階層410に転送する。上位MAC階層410において、ARQ階層415は、受信したARQブロックを組み立て、エラーの発生したARQブロックに対しては、下位MAC階層420に再送を要求し、最終的に組み立てられたARQブロックをパケット610として生成し、これを、ルータを通じて外部IP網に転送する。
したがって、図6及び図7の動作によれば、上位MAC階層410は、基地局制御器などに固定させた後、MSSの移動によって位置が変更される基地局などの下位MAC階層420にデータを転送したり、任意地域に位置している下位MAC階層420から受信したデータを、固定した位置の上位MAC階層410に転送することによって、上位MAC階層410で管理されるセッション情報を固定的に維持することが可能になる。
以下、図8乃至図10を参照して、本発明による広帯域無線通信システムのハンドオーバー方法について説明する。
図8は、本発明によるハンドオーバー方法が適用される広帯域無線通信システムの一構成例を示す図であって、前述した上位MAC階層(MAC High)が、少なくとも一つの基地局制御器(APC)60に位置し、複数の下位MAC階層(MAC Low)が基地局(AP)50a,50bに位置している分離型MAC構造のハンドオーバーモデルを示している。なお。図8では、ハンドオーバー時に、基地局50aをサービング基地局(S−AP)とし、基地局50bをターゲット基地局(T−AP)としている。
図8において、MSS40は、無線網を通じて基地局50a,50bに接続され、基地局50a,50bは、有線網を通じて基地局制御器60に接続され、基地局制御器60は、ルータ30を通じてインターネットなどのIP網に接続される。図8において、MSS10と基地局制御器60は、同じセッション情報を維持し、基地局50a,50bは、セッション情報を管理する上位MAC階層(MAC High)から分離された下位MAC階層(MAC Low)のみを備え、MSS40のハンドオーバー時にセッション情報の移動が要求されない。そして、上位MAC階層(MAC High)の順方向転送データは、前述したトンネリング階層を通じて下位MAC階層(MAC Low)に伝達されてMSS40に転送される。
図8のモデルでは、上位MAC階層(MAC High)と下位MAC階層がIPトンネルを通じて接続されるため、相互間に位置上の制約条件はないが、上位MAC階層(MAC High)で固定した位置のセッション情報を管理するので、順方向データ転送時に遅延時間が減少する。そして、MSS40のハンドオーバー時にセッション移動が発生しないため、広帯域無線通信システムのハンドオーバー負荷が減るという長所がある。
図9は、本発明によるハンドオーバー方法が適用される広帯域無線通信システムの他の構成例を示す図であって、MACプロトコルが上位MAC階層(MAC High)と下位MAC階層(MAC Low)とに分離され、分離された2階層がそれぞれの基地局(AP)50a,50bに位置する複合型MAC構造のハンドオーバーモデルを示している。ここでも、ハンドオーバー時に、基地局50aをサービング基地局(S−AP)とし、基地局50bをターゲット基地局(T−AP)とする。
図9の複合型モデルは、図1の従来モデルと同様に、基地局50a,50bに全体のMAC構造が含まれて構成されるが、上位MAC階層(MAC High)からトンネリング階層を通じて、使用者データを、他の基地局に位置している下位MAC階層に転送することができる。この場合も同様に、セッション情報は、固定した位置の上位MAC階層(MAC High)で維持されるため、ハンドオーバー時にセッション情報の移動が要求されず、安定したサービス提供が可能になり、また、各基地局50a,50bが同じ形状を有するので設置が容易である。
図10は、本発明による広帯域無線通信システムのハンドオーバー過程を示す流れ図であって、図8の分離型モデルでのハンドオーバー過程を例示している。図10の説明において、上位MAC階層は基地局制御器(APC)60に位置し、下位MAC階層はMSS40に接続されたサービング基地局(S−AP)50a、及びハンドオーバーするターゲット基地局(T−AP)50bにそれぞれ位置することと仮定する。
まず、ステップ1001で、MSS40は、チャネルスキャニングによって隣接基地局の情報を得ると共に、ターゲット基地局50bを発見するとハンドオーバーを決定する。続いて、ステップ1003で、MSS40は、ハンドオーバー要求メッセージ(HO-REQ)をサービング基地局50aに転送し、このメッセージは基地局制御器60に伝達される。ステップ1005で、基地局制御器60は、MSS40がハンドオーバーするターゲット基地局50bに、ハンドオーバー通知メッセージ(handover-pre-notify)を転送し、当該MSS40のハンドオーバー可否を確認する。このとき、ターゲット基地局50bは、基地局制御器60からMSS40の特性情報(例えば、該当するMSSの要求帯域幅、QoS等)を受信し、ターゲット基地局50bでハンドオーバーを許容するか否かを判定する。
続いて、ステップ1007で、ターゲット基地局50bは、ハンドオーバー通知メッセージに対するハンドオーバー通知応答メッセージ(handover-pre-notify-response)を、基地局制御器60に送る。ステップ1009で、基地局制御器60は、MSS40に、ターゲット基地局50bの識別ID(T-AP ID)が含まれたハンドオーバー応答メッセージ(HO-RSP)を送り、ターゲット基地局50bへのハンドオーバーが可能であるということを知らせる。その後、ステップ1011で、MSS40は、最終的にハンドオーバーする時点になると、Lフレーム後にハンドオーバーを開始するということを知らせるハンドオーバー表示メッセージ(HO-IND)を、サービング基地局50aを通じて基地局制御器60に転送する。
すると、ステップ1013で、基地局制御器60は、MSS40への順方向データ転送を一時中断した後、MSS40がLフレーム後にターゲット基地局50bにハンドオーバーするということを知らせるハンドオーバー命令(handover-command)を、ターゲット基地局50bに転送する。さらに、ステップ1015及びステップ1017において、基地局制御器60は、MSS40がターゲット基地局50bにハンドオーバーすると直ちにターゲット基地局50bが使用者データ(PDUブロック)をMSS40に転送できるよう、基地局制御器60にバッファリングされている使用者データを、ターゲット基地局50bに転送する。
このときに、MSS認証、ARQブロックの一連番号、MSSのQoS等のセッション情報は、基地局制御器60で管理するため、ターゲット基地局50bへの転送が要求されない。また、基地局制御器60からターゲット基地局50bへ転送される使用者データも、ARQウィンドウに存在するデータのみを転送すればいいので、ハンドオーバー時にターゲット基地局50bに伝達されるデータ量が大幅に低減する。
その後、ステップ1019で、ターゲット基地局50bは、IEEE 802.16eに定義された高速レンジング(Fast Ranging_IE)を用いて、MSS40がレンジング要求を迅速に転送できるようにし、ステップ1021で、MSS10がターゲット基地局50bにレンジング要求メッセージ(RNG-REQ)を転送すると、ステップ1023でターゲット基地局50bは、MSS40にレンジング応答メッセージ(RNG-RSP)を転送して応答する。以上の過程が終了すると、MSS40は、ターゲット基地局50bと同期し、ステップ1025でターゲット基地局50bを通じてデータを送受信する。
一般の無線通信システムにおける移動端末のハンドオーバー過程を概略的に示す図である。 IEEE 802.16eで定義された無線通信システムのハンドオーバーと関連した一般の通信プロトコルの構造を示す階層図である。 IEEE 802.16eで定義された無線通信システムのハンドオーバー過程を示す流れ図である。 本発明による無線通信システムの分離型MACプロトコル構造を示す階層図である。 本発明による無線通信システムにおけるMSSのMACプロトコル構造を示す階層図である。 図4のMACプロトコル構造を使用する無線通信システムの下りリンクにおけるデータ転送過程を示す図である。 図4のMACプロトコル構造を使用する無線通信システムの上りリンクにおけるデータ転送過程を示す図である。 本発明によるハンドオーバー方法が適用される無線通信システムの一構成例を示す図である。 本発明によるハンドオーバー方法が適用される無線通信システムの他の構成例を示す図である。 本発明による無線通信システムのハンドオーバー過程を示す流れ図である。
符号の説明
1 有線網
10 MSS
20a、20b 基地局(AP)
30 ルータ
40 MSS
50a,50b 基地局(AP)
60 基地局制御器(APC)
210 MAC階層
211 サービス収容補助階層(Service Specific Convergence Sublayer)
212 MAC共通補助階層(MAC Common Part Sublayer)
213 保安補助階層(Privacy Sublayer)
220 PHY階層
230a,230b,230c 管理階層
241,242,243 サービスアクセスポイント(Service Access Point:SAP)
410 上位MAC階層
411 分類(Classification)階層
412 パケットヘッダ圧縮(Packet Header Suppression)階層
413 暗号化(Encryption)階層
414 セッション制御(Session Control)階層
415 自動再送要求(Automatic Repeat Request:ARQ)階層
420 下位MAC階層
421 パッキング及び断片(Packing & Fragmentation)階層
422 プロトコルデータユニット(Protocol Data Unit:PDU)処理階層
423 リンク制御(Link Control)階層
430 PHY階層
440 トンネリング(Tunneling)階層
511〜515,521〜524 補助階層
610 パケット
620 ARQウィンド
620a〜620g ARQブロック
630 トンネリングヘッダTHが含まれたARQブロック
635 バッファー
640 PDUブロック

Claims (11)

  1. 媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムの下りリンクで、インターネットプロトコル(IP:Internet Protocol)網のパケットを移動端末に転送する方法であって、
    上位MAC階層が、前記IP網を通じて受信したパケットを、複数の自動再送要求(ARQ:Automatic Repeat Request)ブロックとして分割するステップと、
    前記上位MAC階層が、前記ARQブロックの転送のための所定ヘッダ情報と共に少なくとも一つのARQブロックを、下位MAC階層に転送するステップと、
    前記下位MAC階層が、前記ヘッダ情報に基づいて前記ARQブロックを受信するステップと、
    前記下位MAC階層が、受信した前記ARQブロックを、前記移動端末に転送するためのパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックに組み立てるステップと、
    前記下位MAC階層が、前記組み立てられたPDUブロックを、前記移動端末に転送するステップと、を備え、
    前記MACプロトコルは、前記移動端末のハンドオーバーと関連したセッション情報を管理し、且つ固定した位置を有する前記上位MAC階層と、物理階層と接続され且つ位置変更が可能な前記下位MAC階層とに分離され
    前記上位MAC階層は前記広帯域無線通信システムの基地局制御器に位置し、前記上位MAC階層の位置は、前記移動端末がハンドオーバーして基地局を変更しても変更されず、前記下位MAC階層は基地局に位置し、前記下位MAC階層の位置は、前記物理階層と接続される前記移動端末の移動によって変更される
    ことを特徴とする、分離されたMACプロトコル構造を用いた無線通信システムの下りデータ転送方法。
  2. 前記ヘッダ情報は、前記ARQブロックの一連番号と前記下位MAC階層のアドレス情報とを含む
    ことを特徴とする、請求項1に記載の無線通信システムの下りデータ転送方法。
  3. 媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムの上りリンクで、移動端末の転送データをインターネットプロトコル(IP:Internet Protocol)網に転送する方法であって、
    下位MAC階層が、物理階層を通じて前記移動端末の転送データを受信するステップと、
    前記下位MAC階層が、前記転送データに含まれた少なくとも一つの自動再送要求(ARQ:Automatic Repeat Request)ブロックを抽出するステップと、
    前記下位MAC階層が、前記ARQブロックの転送のための所定ヘッダ情報と共に少なくとも一つのARQブロックを、前記上位MAC階層に転送するステップと、
    前記上位MAC階層が、少なくとも一つの前記ARQブロックを受信し、パケットとして組み立てた後、前記IP網に転送するステップと、を備え、
    前記MACプロトコルは、セッション情報を管理し、且つ固定した位置を有する前記上位MAC階層と、物理階層と接続され且つ位置変更が可能な前記下位MAC階層とに分離され
    前記上位MAC階層は前記広帯域無線通信システムの基地局制御器に位置し、前記上位MAC階層の位置は、前記移動端末がハンドオーバーして基地局を変更しても変更されず、前記下位MAC階層は基地局に位置し、前記下位MAC階層の位置は、前記物理階層と接続される前記移動端末の移動によって変更される
    ことを特徴とする、分離されたMACプロトコル構造を用いた無線通信システムの上りデータ転送方法。
  4. 前記上位MAC階層に転送されるデータの基本単位は、パケットデータユニットから分割された少なくとも一つのARQブロックとトンネリングヘッダを含み、前記トンネリングヘッダは、前記ARQブロックのブロック一連番号と前記上位MAC階層のMACアドレスとを含む
    ことを特徴とする、請求項3に記載の上りデータ転送方法。
  5. 媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いる無線通信システムにおいて、サービング基地局と移動端末が移動するターゲット基地局との間で行われるハンドオーバー方法であって、
    前記移動端末がチャネルスキャニングによって前記ターゲット基地局へのハンドオーバーを決定するステップと、
    前記サービング基地局を通じて前記移動端末のハンドオーバー要求を受信するステップと、
    前記ターゲット基地局への前記移動端末のハンドオーバー可否を判定するステップと、
    前記ターゲット基地局にハンドオーバー命令を転送するステップと、
    前記ターゲット基地局にセッション情報を除くパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送するステップと、を備え、
    前記MACプロトコルは、上位MAC階層と下位MAC階層とに分離され、前記上位MAC階層は前記セッション情報を管理すると共に固定した位置を有し、前記上位MAC階層の位置は、前記移動端末がハンドオーバーして基地局を変更しても変更されず、前記下位MAC階層は基地局に位置し、前記下位MAC階層の位置は、前記物理階層と接続される前記移動端末の移動によって変更される
    ことを特徴とする、無線通信システムのハンドオーバー方法。
  6. 媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いてパケット通信を行う無線通信システムであって、
    固定した位置で前記パケット通信のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を有する上位MAC階層を含む少なくとも一つの基地局制御器と、
    前記上位MAC階層と移動端末が接続される物理階層との間で、パケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送する下位MAC階層を含む複数の基地局と、を備え、
    前記上位MAC階層の位置は、前記移動端末がハンドオーバーして基地局を変更しても変更されず、前記下位MAC階層の位置は、前記物理階層と接続される前記移動端末の移動によって変更される
    ことを特徴とする、無線通信システム。
  7. 前記移動端末が、前記複数の基地局のうちの現在接続中のソース基地局から移動しようとするターゲット基地局にハンドオーバーする場合に、前記基地局制御器は、固定した位置で該当のセッション情報を管理し、前記移動端末の接続される前記下位MAC階層は、前記ターゲット基地局へ移動される
    ことを特徴とする、請求項6に記載の無線通信システム。
  8. 前記移動端末が接続される基地局制御器と基地局は、前記上位MAC階層と前記下位MAC階層との間でのデータ転送時に、該データのアドレス情報として所定トンネリングヘッダ情報を生成するトンネリング階層を用いる
    ことを特徴とする、請求項6に記載の無線通信システム。
  9. 前記基地局は、前記PDUブロックの大きさを無線チャネルの状況に応じて可変的に調整する
    ことを特徴とする、請求項6に記載の無線通信システム。
  10. 媒体アクセス制御(MAC:Medium Access Control)プロトコルを用いてパケット通信を行う無線通信システムであって、
    固定した位置で前記パケット通信のためのセッション情報を管理する少なくとも一つのサブ階層を含む上位MAC階層と、前記上位MAC階層と分離され、前記上位MAC階層と物理階層との間でパケットデータユニット(PDU:Packet Data Unit)ブロックを転送する下位MAC階層とを含む複数の基地局と、
    前記複数の基地局のうちの現在接続中の第1基地局の前記上位MAC階層に前記セッション情報が固定され、前記第1基地局からハンドオーバーする第2基地局に前記下位MAC階層を変更する移動端末と、を備え、
    前記上位MAC階層の位置は、前記移動端末がハンドオーバーして基地局を変更しても変更されず、前記下位MAC階層は基地局に位置し、前記下位MAC階層の位置は、前記物理階層と接続される前記移動端末の移動によって変更される
    ことを特徴とする、無線通信システム。
  11. 前記第1基地局の上位MAC階層と前記第2基地局の下位MAC階層は、データ転送時に、アドレス情報として所定トンネリングヘッダ情報を生成するトンネリング階層を用いる
    ことを特徴とする、請求項10に記載の無線通信システム。
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