JP4634480B2 - 無線通信システム、端末装置及び制御ノード装置 - Google Patents

Description

特に複数の無線通信システム間の高速な切替技術、及び周波数の時間利用効率向上のためのコグニティブ無線技術に関する。

現在、第３世代携帯電話や無線ＬＡＮなどのシステムなど様々なシステムが運用されているが、これらはそれぞれの事業者等により個別に運用・管理されており、ユーザの立場からもこれら複数のシステムを利用するためにはそれぞれの事業者と契約・加入する必要があり、場所や時間帯に応じてユーザ自らが手動で通信システムを選択する必要があった。

また、一方で移動通信システムにとって使い勝手の良い６ＧＨｚ以下の帯域（ＶＨＦ、ＵＨＦ、低マイクロ波帯）については、現在第３世代携帯電話や無線ＬＡＮなど稠密に利用されており、深刻な電波の逼迫状況が生じている。こうした状況の中、逼迫している電波をより有効かつ効率的に活用しつつ、特にニーズの高い移動通信に必要な周波数帯域を確保するためには、移動通信をはじめとする複数の無線システムの高度な共同利用を実現する技術が求められている。

これらを実現するため、端末の移動に応じて接続先のシステムを変更するなど比較的低速でのシステム切替ついてはｍｏｂｉｌｅ ＩＰの技術を用いる方法があり、これは非特許文献１に紹介されている。さらに１９９９年には無線の状況を認知しその状況に応じて無線システムの制御を行う「コグニティブ無線」の概念が発表された（非特許文献２、非特許文献３参照）。コグニティブ無線技術は周波数が空いているかをセンシングしその結果に基づき通信を行うものであり、空き周波数の状況に応じて複数の無線システムを臨機応変に使用する「マルチシステム」の考え方（非特許文献４参照）に基づく研究も盛んに行われている。ｍｏｂｉｌｅ ＩＰ技術と異なり動的に変化する無線状況を考慮し自動的にネットワーク主導で通信品質のよいシステムやコストの安いシステムへシステム切替を行う点が特徴である。 この他、端末周辺の電波状況とユーザの緊急度や経済度に基づき端末主導で適切なシステムへシステム切替を行う（非特許文献５参照）などの研究も行われている。

従来における、複数の無線システムを用いるシステムの全体構成を図１に示す。

図１の例では２つの無線システム（Ｓｙｓｔｅｍ ＃１とＳｙｓｔｅｍ ＃２）が存在しＳｙｓｔｅｍ ＃１はＳｙｓｔｅｍ ＃２のサービスエリア（１０２）よりも広範なエリア（１０１）をカバーしており、Ｓｙｓｔｅｍ ＃２のサービスエリア（１０２）はＳｙｓｔｅｍ ＃１のサービスエリア内に存在する。ここでは各無線システムのアクセスポイント（１０７、１０８）はＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）（１１０）に対するＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）の機能と、端末との無線区間でのリンクを確立する機能を有し、モバイルＩＰ技術を使用し、端末（１０３）の移動に伴いＨＡとＦＡとの連携によりシステム切替を実現する。図１の例ではＳｙｓｔｅｍ ＃１は広範囲なエリアにて使用できると仮定し、ホットスポット的に存在するＳｙｓｔｅｍ ＃２のエリアに移動した場合にＳｙｓｔｅｍ ＃１からこれらのシステムへシステム切替が行われる（１０５）。同様にこれまでＳｙｓｔｅｍ ＃２で通信を行っていた端末が移動に伴ってそれらのシステムのサービスエリア外に移動した場合、広範囲なエリアをカバーするＳｙｓｔｅｍ ＃１を用いた通信に切替えられる（１０６）。

このシステム切替はユーザが移動先のアクセスポイントと接続することをトリガとして行われる。すなわち端末の移動に伴い、移動前に通信を行っていたシステムから、移動後に通信可能なシステムへの切替が行われ、移動後通信可能なシステムを用いて通信が継続され、図１の例では（１０５）と（１０６）の２回システム切替が起きる可能性がある。

なお図１の例におけるＳｙｓｔｅｍ ＃１の具体例としてはセルラシステムであるｃｄｍａ １ｘＥＶＤＯ（１ｘＥｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｄａｔａ Ｏｎｌｙ）などが挙げられる、またＳｙｓｔｅｍ ＃２の具体例としては都市部における屋外の無線ブロードバンドシステムであるＷｉＭＡＸや近距離及び室内向けブロードバンドシステムである無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などが挙げられる。以降の説明では２つのシステムを例に説明を行うが、３種類以上のの無線システム切替についても同等に適用可能である。
G. Wu, et al., "MIRAI architecture for Heterogeneous Network," IEEE Communications Magazine, pp. 126-134 (Feb. 2002). Mitora, "Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications", 1999 IEEE Int Workshop on Mobile Multimedia Communications Digest(Nov.1999). Mitora, etc., "Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal", 1999 IEEE Personal Communication, Vol.6, No.4 (1999) S.Hanaoka, et al, "Testbed System of Inter-Radio System Switching for Cognitive Radio", IEICE Trans. Commun., Vol.E91-B, No.1 (Jan.2008). H.Harada, "A Study on Cognitive Radio and its Applications", IEICE Technical Report, SR2005-18 (May 2005).

従来のシステムでは、図１に示したように端末が移動し移動先に存在する別の無線システムと接続することをトリガとしてシステム切替が行われる。

しかし、図２に示すように実際には複数のシステムのサービスエリア内には他の端末（２０１）が通信を行っていることが一般的であり、端末（１０３）が（２０２）の地点に移動してきた際に移動先の無線システムに切り替えた方がよいか切り替えないほうがよいかの判断を端末側もしくはネットワーク側で判断する必要があるがこの判断のための処理が膨大で複雑となる問題があった。

以下、システム切替判断の複雑さを図２、図３、図４、図５を用いて説明する。ここでは簡単のために端末数＝２としネットワーク側主導にてシステム切替を行うこととする。図２に示すようにユーザ＃１はＳｙｓｔｅｍ ＃１のエリアに初期状態は位置し、Ｓｙｓｔｅｍ ＃２のエリアに移動してくる。ユーザ＃２はＳｙｓｔｅｍ ＃２のエリアで静止しているとする。この時、図３の（３０１）に示すようにユーザ＃１は本来Ａ［Ｍｂ／ｓ］での通信を要求していたがＳｙｓｔｅｍ ＃１の最大スループットがＸ［Ｍｂ／ｓ］のため、最大スループットであるＸ［Ｍｂ／ｓ］で通信を行っている。図２の（２０２）の地点においてはＳｙｓｔｅｍ ＃２の空き帯域の情報を測定もしくは推定し図４の（４０１）に示すようにＳｙｓｔｅｍ ＃２の空き帯域を使用することによりユーザ＃１の通信品質を満足させようとシステム側で制御する。

すなわち、ユーザ＃１はＳｙｓｔｅｍ ＃１とＳｙｓｔｅｍ ＃２の両方を用い、これらを状況に応じて切り替えることで複数のユーザすべてのスループットの改善が図れるようにシステム切替制御を行う。あるいは図５に示すようにユーザ＃１の通信システムをすべてＳｙｓｔｅｍ ＃２に切り替えようと試みた場合、 ユーザ＃１は要求速度であるＡ［Ｍｂ／ｓ］での通信が可能となるが（５０１）、Ｓｙｓｔｅｍ ＃２だけでは両方のユーザのスループットを満足することができないために、ユーザ＃２の通信の一部（５０２）をＳｙｓｔｅｍ ＃１を用いて行うように制御する。これらの試行の中でシステムスループット最大化やコスト最適化などの観点からもっとも適したものを判断結果として採用し、これらを各ユーザのシステム切替へ反映させていく。

前述したような制御をシステム側に実装し図６に示すようにＷｉＭＡＸと無線ＬＡＮを対象システムとしてここに合計６ユーザを配置し、このうちの４ユーザがＷｉＭＡＸの位置から無線ＬＡＮエリアを抜けるシナリオ（６０１）（６０２）にてシミュレーションを行った。

シミュレーション結果を図７に示す。（７０２）はスループットの合計、すわなちシステムスループットを表しており、無線ＬＡＮが重なっているエリアにおいてスループットが向上しておりこの時各ユーザのシステム切替履歴は（７０１）となっているが、端末の移動等を考慮したリソース割当を実現するために周期的に（この例では３秒周期）システム切替を行うか否かの計算が行われる。端末の移動に伴い、無線の電波状況も変わる上、端末の使用するアプリケーションや既にシステムに接続されている端末の状態等も考慮した上でシステム切替の判断を行う必要があるためその処理は膨大となりまた複雑となる問題があった。

さらに、これらのシステム切替判断処理を端末で行う場合には、システム切替判断の複雑さに加え、これらの判断に必要な情報を各無線システムから周期的に収集することも必要であり、これらの情報収集のための回路やデバイスを用意する必要があること、またこれらを周期的にかつ継続的に行う必要があることから低消費電力の観点からも問題があった。

本発明の代表的な実施の形態では、複数の無線システムを収容し、ネットワーク及び端末装置と接続され、前記端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つを管理する制御ノード装置を備えた無線通信システムであって、前記端末装置は、前記複数の無線システムのうち通信開始時に初期接続した無線システムを介して前記制御ノード装置へ前記無線システム切替パターンの使用を要求し、前記制御ノード装置は、他の端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つに基づき前記端末装置が使用する無線システム切替パターンを決定し、前記制御ノード装置は、該決定された無線システム切替パターンを示す情報を端末装置に送信し、前記端末装置は、前記制御ノード装置から受信した情報が示す前記無線システム切替パターンに基づいて前記複数の無線システムを切り替えながら通信を継続する。

時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、システム全体の負荷の分散及びスループット向上が見込める。さらに数多くのユーザが収容されている環境において特定の端末（ユーザ）のスループットだけが著しく低下したり、特定の端末（ユーザ）だけが接続できない現象の改善が見込める。

＜実施形態１＞
本発明における第一の実施形態について説明する。

本実施形態においては図８に示すように端末が複数のシステムが使用可能なエリアにいる場合には端末毎に定められたホッピングパターンに基づいてシステム切替を行う（これをシステムホッピングと命名する）。具体的には端末（８０１）は例えば（８０４）に描かれたＳｙｓｔｅｍ ＃１とＳｙｓｔｅｍ ＃２を交互に切り替えるホッピングパターンを有しており、端末の移動に伴い複数の無線システムが使用可能なエリアに到達（８０３）すると、端末はホッピングパターンに従い周期的にシステム切替を行いながら通信を継続する（８０５）。この時ネットワーク側は端末のホッピングパターンと同期する必要があり、複数のシステムの切替を容易に行う為にＳｙｓｔｅｍ ＃１のアクセスポイント（１０７）とＳｙｓｔｅｍ ＃２のアクセスポイント（１０８）の上位に制御ノード（８０２）を配置し、この制御ノード（８０２）は端末毎に定められたホッピングパターン（８０４）に従いシステム切替を行いながら通信を継続する。なおネットワーク側におけるホッピングと端末側におけるホッピングは同期して動作する。

この時、端末におけるホッピング開始タイミング（８０３）や終了のタイミング、システムホッピングを行うか否かの制御フローは図９及び図１０に示すとおりとなる。まず図９に示すように端末においてはそれぞれの無線システムの受信電力の測定を行い、そのシステムを用いた通信が可能か否かの判断を行う（９０３）。次に通信可能なシステムの個数に基づいたシステム選択が行われる。Ｓｙｓｔｅｍ ＃１としてＷｉＭＡＸ、Ｓｙｓｔｅｍ ＃２として無線ＬＡＮを用いた場合、図１０に示すようなフローとなりすべてのシステムの電波が受信閾値未満の場合には圏外となり通信不可となる（１００７）。またＷｉＭＡＸと無線ＬＡＮのどちらか一方の電波が受信閾値以上の場合にはその無線システムでしか通信ができないため必然的にそのシステムを用いて通信を行う（１００５）（１００６）。複数のシステムの受信電力が受信閾値以上であり、複数のシステムから通信を行う選択が可能となった場合にシステムホッピングが実施される（１００４）。

例えば、図６で示したシナリオと同一のシナリオにて図９及び図１０のフローを実装してシステムホッピングを実施した場合のシミュレーション結果を図１２に示す。なおこのシミュレーションでは移動する端末が４ユーザであることから図１１に示すように４ユーザで互いに直交するパターンを選択している。図１２よりシミュレーション時刻２４秒からシステムホッピングが実施され（１２０１）、この時のシステムスループットは（１２０２）に示すように電波状況等を収集しこれらの情報に基づいた切替を行った図７と比較しても遜色のない特性であることがわかる。

この第一の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、かつスループット向上が見込める。

＜実施形態２＞
本発明における第二の実施形態について説明する。

本実施形態においては第一の実施形態の考え方を拡張し、図１３に示すように端末における受信電力測定の過程を省略し、端末が複数のシステムが使用可能なエリアにいる・いないに関わらず、端末毎に定められたホッピングパターンに基づいてシステム切替を行う。

この場合における端末の制御フローは図１３に示す通りであり、初期化のプロセス（１３０２）終了後は端末固有のパターンに基づくシステムホッピング処理（１３０３）が行われる。

例えば、図６で示したシナリオと同一のシナリオにて図１３のフローを実装してシステムホッピングを実施した場合のシミュレーション結果を図１４に示す。なおこのシミュレーションでは第一の実施形態と同様、移動する端末が４ユーザであることから図１１に示すように４ユーザで互いに直交するパターンを選択している。図１４よりＷｉＭＡＸの電波しか到達していないシミュレーション時刻０秒からシステムホッピングが実施されているが（１４０１）、この時のシステムスループットは（１４０２）に示すように電波状況等を収集しこれらの情報に基づいた切替を行った図７と比較しても遜色のない特性であることがわかる。

この第二の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、かつスループット向上が見込める。さらに端末において複数の無線システムが使用可能か判断するための周期的な受信電力測定も不要となり、ホッピングパターンに応じた各通信モジュールの省電力化制御も可能となることから端末の低消費電力化が見込める。

＜実施形態３＞
本発明における第三の実施形態について説明する。

第一の実施形態及び第二の実施形態ではシステムホッピングにおいてすべてのユーザに同じ優先度を与えておりＷｉＭＡＸや無線ＬＡＮを使用する時間や帯域が等しくなっている。例えば図１３における端末＃１（ＡＴ０）においてＷｉＭＡＸを使用する時間と無線ＬＡＮを使用する時間が１：１となっているがこの関係は他の移動している端末（ＡＴ１、ＡＴ４、ＡＴ５）でも同じである。本実施形態においては端末によっては広帯域の通信を要するものやリアルタイム性を要するものなど様々なデータが伝送されるため、これらの要求帯域やＱｏＳの要求条件を考慮してホッピングパターンを生成する。例えばＷｉＭＡＸシステムはリアルタイム性を保証する機構が備わっており、ある端末がリアルタイム性を必要とする通信を行う場合、端末毎に定められるホッピングパターンにおいてＷｉＭＡＸと無線ＬＡＮの使用頻度を１：１ではなく、ＷｉＭＡＸ：無線ＬＡＮ＝７：３などのように設定する。

これは図１５に示すように結果として複数のシステムを複数のユーザが使用する場合において各ユーザごとにシステムの配分を変えて通信を行うことと等価である。図１５の例ではユーザ＃２の通信は（１５０２）に示すようにＳｙｓｔｅｍ ＃１とＳｙｓｔｅｍ ＃２の両方の帯域が必要であるが、Ｓｙｓｔｅｍ ＃２の方がユーザ＃２のアプリケーション実施に適しており、こちらを使用する頻度を高く設定している様子を示す。

この第三の実施形態により、時々刻々変化する無線の状況や端末が使用するアプリケーション情報の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、端末が使用するアプリケーションやＱｏＳに応じたシステム切替をホッピングパターンの変更により実現でき複数ユーザ間の優先度制御やユーザの通信品質向上が見込める。

＜実施形態４＞
本発明における第四の実施形態について説明する。

本実施形態においては端末毎に有するシステムホッピングパターンについて述べる。システムホッピングパターンは複数のユーザで均等な接続機会を与え、また他のユーザへの干渉やスループット低下を抑えるために複数ユーザで異なるパターンとする。この時図１１で示した例のようにすべての端末が互いに直交となるように、あるいは互いになるべく重なりに偏りがないようにホッピングパターンを生成する。対象となるシステムがこれまで述べた２システムの場合、例えばＷｉＭＡＸを”０”、 無線ＬＡＮを”１”として二値のホッピングパターンを使用する。ホッピングパターンとしては直交符号、Ｇｏｌｄ符号、Ｍ系列などを用いて生成する。これは複数の端末を候補となる複数のシステムに分散させることによる平滑化を行い、システム全体のスループット向上を狙っている。なお対象システムが３以上となった場合も同様の考え方を拡張し、収容される複数のユーザそれぞれが互いに直交もしくは相関の低い符号を用いる。

ホッピングパターンの系列長はシステム全体として接続されるユーザ数に依存する。端末の製造番号のように接続していない端末も含めてすべての端末にまったく異なるホッピングパターンをあらかじめ付与しておくことも可能である。あるいは一つの基地局（無線システム）に収容できるユーザ数には限りがあるため、系列長は最小で２、最大でも数１０００程度とし、端末がシステムに接続された時に使用する符号を付与してもよい。

また、一方で複数システムのうちあるシステム（Ｓｙｓｔｅｍ ＃２）に障害が起きた場合、システムホッピングパターン生成時にこれらの情報を踏まえてＳｙｓｔｅｍ ＃２を避けたホッピングパターンを生成することにより、複数の端末をあるシステムに集中させることも可能である。

この第四の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、かつ複数ユーザでこれを適用した場合の接続先システムの負荷分散や数多くのユーザが収容されている環境において特定の端末（ユーザ）のスループットだけが著しく低下したり、特定の端末（ユーザ）だけが接続できない現象の改善が見込める。

＜実施形態５＞
本発明における第五の実施形態について説明する。

本実施形態においては第四の実施形態において述べたホッピングパターンを端末がシステム接続時に付与する制御フローについて述べる。

図１６に示すように端末はまずはじめにあるシステムとのリンクを確立する（１６０１）。Ｓｙｓｔｅｍ ＃１のアクセスポイントでは端末とのリンク確立を受けて制御ノードにホッピングパターンを要求する（１６０２）。制御ノードでは既に使用しているホッピングパターンなどをチェックし（１６０３）、端末の有するＱｏＳやアプリケーションの情報、あるいはシステム障害のネットワーク側の情報等も考慮してホッピングパターンを決定する（１６０４）。決定したホッピングパターンはＳｙｓｔｅｍ ＃１のアクセスポイントを介して端末に伝送される（１６０５、 １６０６）。ホッピングパターンを受信した端末及び制御ノードはこのホッピングパターンに基づきシステム切替を行う（１６０７）。なお（１６０５）（１６０６）において伝送されるホッピングパターンの情報にはパターン情報に加え、どの時刻からホッピングを開始するか開始時刻に関する情報を付与してもよい。

端末とネットワーク側が共にＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などを使用する場合、ホッピング開始の時刻情報を共有することにより端末側とネットワーク側のホッピングを同期させることが可能となる。端末がＧＰＳを有しない場合、システムとしてあらかじめ定めたタイミングでホッピングを開始する、もしくは（１６０５）（１６０６）において伝送される情報の中に、例えば端末受信後ｘ秒後に送信するといった情報を含め、この情報に基づき端末側とネットワーク側のホッピングを同期させる方法も考えられる。

この第五の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、またホッピングパターンを接続先の複数システムの状況に応じて付与することが可能となることから不必要に長いホッピングパターンを付与する必要がなくなり、かつ接続先の複数システムの状況を考慮したホッピングパターンを生成できることからより効率的な運用が可能となる。さらにシステムホッピングを端末側とネットワーク側で容易に同期をとることが可能となる。

＜実施形態６＞
本発明における第六の実施形態について説明する。

本実施形態においてはこれまで述べたシステム切替をＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）に相当する機能の改造により実装する。図１７ではセルラシステムであるＥＶＤＯを加えた３つの無線システムを対象とした図となっているが、制御ノードに相当するホッピングパターンの情報をＨＡ（１７０５）が有し、ＨＡはホッピングパターンに応じてＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）の切り替えを実施する。従来のｍｏｂｉｌｅ ＩＰ技術は端末からのトリガによりＦＡの切替（登録）を行っているが本実施形態ではこれらのトリガは不要である。

この第六の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、また端末からの切替のトリガが不要となることから高速なシステム切替が見込める。

＜実施形態７＞
本発明における第七の実施形態について説明する。

本実施形態においては第六の実施形態と異なり、ＩＰ層よりも下位でシステム切替を実装する。

以下セルラシステムであるＥＶＤＯを加えた３システムを対象とした場合を例に具体的に説明する。

複数の無線システムでの通信に対応した端末（１８０１）、各無線システムのアクセスポイント（ＥＶＤＯの場合は（１８０２）、無線ＬＡＮの場合は（１８０３）、ＷｉＭＡＸの場合は（１８０４））、各無線システムを終端するゲートウェイ（ＥＶＤＯの場合はＰＤＳＮ（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｎｏｄｅ）（１８０６）に相当し、無線ＬＡＮの場合はＰＤＩＦ（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（１８０７）に相当、ＷｉＭＡＸの場合はＡＳＮ−ＧＷ（Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｇａｔｅｗａｙ）（１８０８）に相当）と、各システム毎にユーザ認証のための認証局（１８１０）から構成され、各システムを終端するゲートウェイとネットワークの間にシステム切替を実現する制御ノード（１８０８）が接続されている。

次に、各無線システムのアクセスポイント（１８０２、１８０３、１８０４）は端末との無線区間を終端する機能をもつ。

また、ＰＤＳＮやＰＤＩＦ、ＡＳＮ−ＧＷなどのゲートウェイは制御ノード（１８０８）に対するＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）の機能を有し、また無線システムを終端する機能を有する。図１８では一つの無線システムのゲートウェイにつき一つのアクセスポイントが接続されているが、アクセスポイントの数は一つに限定されるものではなく、複数のアクセスポイントが各ゲートウェイに接続されるのが一般的である。さらに制御ノード（１８０８）はＨＡ（１８０９）に対するＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）の機能を有する。

この時のパケットフォーマットとしては例えばＩＰカプセル化を用いる。図１９に示すように具体的にはまず通信相手からのＩＰパケット（１９０１）はＨＡ（１８０９）においてＦＡのＩＰアドレスが対応付けられているため、このＩＰパケットにヘッダを付してＦＡに相当する制御ノード（１８０８）に転送する（１９０２）。制御ノード（１８０８）では付与されたヘッダを取り除き、システムホッピングパターンに基づき使用する無線システムに対応したヘッダをつけて送信する（１９０３）。各無線システムのゲートウェイはＦＡ機能を有するため、ＰＤＳＮ（１８０５）、ＰＤＩＦ（１８０６）、ＡＳＮ−ＧＷ（１８０７）においてデータのヘッダ部分を取り除き、各システム毎に必要なヘッダ等の情報を付加し（１９０４）、端末側に送信する（１９０５）。

ＥＶＤＯの場合はＰＤＳＮ（１８０６）と端末の間でＰＰＰ（Ｐｏｉｎｔ ｔｏ Ｐｏｉｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）が確立されるためのＰＰＰのヘッダや、ＰＤＳＮの下位局となるアクセスポイントへ転送するためのアドレス情報が制御ノードにおいて付加されることになる。無線ＬＡＮの場合は、ＰＤＩＦと端末間においてＩＰＳｅｃが確立されるためこれらの情報が付与された端末に伝送される。ＷｉＭＡＸの場合はＡＳＮ−ＧＷとアクセスポイント間でＧＲＥが確立されるためＧＲＥキーの情報が付加されることになる。

このようにＩＰパケットをカプセル化して伝送することによりＩＰ層よりも下位の層にて複数の無線システムを収容することが可能となり、ＩＰ層以上の階層から見れば、ある時刻においてどの無線システムと接続しているかを意識することなく通信することが可能となる。

一方、端末においてもそれぞれの無線システムをＩＰ層よりも下位層においてカプセル化されたこれらのデータのデカプセル化が行い、これらのデータを上位層に渡す処理を行うアプリケーションを有する。

このようなシステム構成を用いた場合、先ほど述べた通りシステムホッピングがＩＰ層よりも下位層に隠蔽されるため、ユーザと接続先（サーバ等）との間ではあくまでも単一のセッションが確立されたように見え、端末の上位層で実行しているアプリケーションがシステムホッピングを意識する必要なく通信が可能となる。

この第七の実施形態により時々刻々変化する無線の状況等の収集、またこれらの収集結果に応じたシステム切替判定のための制御が不要となり、またＩＰカプセル化によりシステムホッピングがＩＰ層よりも下位層での実装が可能となることから高速なシステム切替が見込める。

＜実施形態８＞
本発明における第八の実施形態について説明する。

複数の無線システムはそれぞれ使用する周波数帯や帯域幅、収容するユーザ数等が異なる為、 ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）プロトコルでアプリケーションを動作させた場合、そのままではシステム切替に伴いウィンドウサイズが小さくなることによりスループットが減少する可能性がある。そこで本実施形態においては、ウィンドウサイズが小さくなることによるスループット減少を低減するため、あらかじめＡＣＫが返って来る時間を最も要する（＝遅延時間が一番大きい）無線システムの遅延時間に合わせてこの遅延時間以下で通信が行われている場合にはウィンドウ制御をしないようにする等の再送及びウィンドウ制御を行う。さらに、最大スループットの一番小さいシステム（＝ユーザの移動に対応し、より広範囲なエリアをサービスエリアとするシステム）の平均スループットを元に、この値以上のスループットで通信が行われていた場合ウィンドウ制御を行わないように再送及びウィンドウ制御を行う。

＜実施形態９＞
本発明における第九の実施形態について説明する。

本実施形態においてはこれまで述べた実施形態を実現するための端末の装置構成について述べる。図２０に示すように端末装置（２００１）は送信機部分と受信機部分から構成され、システムホッピングパターンを生成する生成器（２００３）やホッピングを行うタイミングを生成するタイミング生成器（２００２）を有する。また、第五の実施形態を実現するためネットワーク側からホッピングパターンに関する情報を受信しこれらの情報に基づきシステムホッピングパターンを決定するシステムホッピング情報部（２００４）を具備する。システムホッピングパターンに基づくシステム切替は送信機部分と受信機部分が同期して行われ、また、低消費電力化の観点からこれらのホッピングパターンの情報（２００５）が各システムの送信機および受信機に入力されている。各システムの送信機及び受信機はこれらの情報に基づき通信を行わない時間は消費電力を抑える等の処理を行う。

＜実施形態１０＞
本発明における第十の実施形態について説明する。

本実施形態においてはこれまで述べた実施形態を実現するための制御ノードの装置構成について述べる。図２１に示すように制御ノード装置（２１０１）はシステムホッピングパターンを生成する生成器（２１０３）やホッピングを行うタイミングを生成するタイミング生成器（２１０２）、これらの情報に基づきノードを切替えるスイッチを有する。また第五の実施形態を実現するため端末からの要求に従いネットワーク側からホッピングパターンをチェックする機能（２１０４）を具備する。システムホッピングパターンに基づくシステム切替は送信側と受信側が同期して行われ、また低消費電力化の観点からこれらのホッピングパターンの情報（２１０５）が各システムのノードに入力されている。各システムのノードはこれらの情報に基づき通信を行わない時間は消費電力を抑える等の処理を行う。なお図２１の例では制御ノードの外部に各無線システムのノードが配置されているが、図２２に示すように制御ノード内部に複数の無線システムのノードが配置されていてもよい。

携帯電話や無線ＬＡＮなどの複数の無線通信システムを同時に用いたシステムとして運用され、周波数の時間利用効率向上や各無線システムの負荷分散を図ったシステムとして実施される可能性がある。

従来における複数システムが接続されたシステムの構成図である。 従来における複数システムが接続されたシステムにおけるシステム切替の説明図である。 従来におけるシステム切替のための制御の説明図である。 従来におけるシステム切替のための制御の説明図である。 従来におけるシステム切替のための制御の説明図である。 シミュレータ外観及びシミュレーション条件の説明図である。 従来システムにおけるシミュレーション結果の説明図である。 本発明におけるシステムの構成図である。 本発明におけるシステム選択処理の全体のフローチャートである 本発明におけるシステムホッピング処理の詳細のフローチャートである 本発明におけるシステムホッピングパターンの説明図である。 本発明におけるシミュレーション結果の説明図である。 本発明におけるシステムホッピング処理の詳細のフローチャートである。 本発明におけるシミュレーション結果の説明図である。 本発明におけるＱｏＳを考慮したシステム切替の説明図である。 本発明におけるシステムホッピングパターン付与のシーケンス図である。 本発明におけるシステムの構成図である。 本発明におけるシステムの構成図である。 本発明におけるパケットフォーマットの説明図である。 本発明における端末装置の構成のブロック図である。 本発明における制御ノード装置の構成のブロック図である。 本発明における制御ノード装置の構成のブロック図である。

符号の説明

１０１…Ｓｙｓｔｅｍ ＃１のサービスエリア
１０２…Ｓｙｓｔｅｍ ＃２のサービスエリア
１０３…端末
１０４…端末の移動方向
１０５…システム切替タイミング
１０６…システム切替タイミング
１０７…Ｓｙｓｔｅｍ ＃１のアクセスポイント
１０８…Ｓｙｓｔｅｍ ＃２のアクセスポイント
１０９…ネットワーク
１１０…ＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）
２０１…Ｓｙｓｔｅｍ ＃２に位置する他の端末
２０２…システム切替タイミング
３０１…Ｓｙｓｔｅｍ ＃１の最大スループットとユーザ＃１の要求速度
３０２…Ｓｙｓｔｅｍ ＃２の最大スループットとユーザ＃２の要求速度
４０１…ユーザ＃１におけるシステム切替制御
５０１…ユーザ＃１におけるシステム切替制御
５０２…ユーザ＃２におけるシステム切替制御
６０１…シミュレータ外観
６０２…シミュレーション条件
７０１…従来におけるシステム切替履歴
７０２…従来におけるシステムスループット
８０１…本発明による端末
８０２…本発明による制御ノード
８０３…本発明によるシステム切替開始タイミング
８０４…本発明によるシステムホッピングパターン
８０５…本発明によるシステムホッピング時刻
９０１…処理開始
９０２…初期化処理
９０３…受信電力チェック処理
９０４…システム選択処理
９０５…処理終了
１００１…ＷｉＭＡＸ受信電力のチェック
１００２…無線ＬＡＮ受信電力のチェック
１００３…無線ＬＡＮ受信電力のチェック
１００４…本発明によるシステムホッピング処理
１００５…ＷｉＭＡＸ選択処理
１００６…無線ＬＡＮ選択処理
１００７…圏外（Ｏｕｔ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ）処理
１１０１…システムホッピングパターン
１２０１…本発明におけるシステム切替履歴
１２０２…本発明におけるシステムスループット
１３０１…処理開始
１３０２…初期化処理
１３０３…本発明によるシステムホッピング処理
１３０４…処理終了
１４０１…本発明におけるシステム切替履歴
１４０２…本発明におけるシステムスループット
１５０１…ユーザ＃１におけるシステム切替制御
１５０２…ユーザ＃２におけるシステム切替制御
１６０１…リンク確立処理
１６０２…ホッピングパターン要求メッセージ
１６０３…ホッピングパターンチェック処理
１６０４…ホッピングパターン割当（生成）処理
１６０５…ホッピングパターン応答メッセージ
１６０６…ホッピングパターン情報伝送
１６０７…システムホッピング処理
１７０１…端末
１７０２…ＥＶＤＯ基地局
１７０３…無線ＬＡＮアクセスポイント
１７０４…ＷｉＭＡＸ基地局
１７０５…本発明によるＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）
１７０６…ネットワーク
１８０１…端末
１８０２…ＥＶＤＯ基地局
１８０３…無線ＬＡＮアクセスポイント
１８０４…ＷｉＭＡＸ基地局
１８０５…ＰＤＳＮ
１８０６…ＰＤＩＦ
１８０７…ＡＳＮ−ＧＷ
１８０８…本発明による制御ノード
１８０９…本発明によるＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ）
１８１０…認証局
１９０１…ＩＰパケット
１９０２…制御ノード宛のパケット
１９０３…各無線システムゲートウェイ宛のパケット
１９０４…各無線システムのアクセスポイント宛のパケット
１９０５…各無線システムのアクセスポイントから送信されるパケット
２００１…端末装置
２００２…タイミング生成器
２００３…ホッピングパターン生成器
２００４…ホッピングパターン情報部
２００５…ホッピングパターン情報
２１０１…制御ノード装置
２１０２…タイミング生成器
２１０３…ホッピングパターン生成器
２１０４…ホッピングパターン情報部
２１０５…ホッピングパターン情報
２２０１…制御ノード装置

Claims (16)

1. 複数の無線システムを収容し、ネットワーク及び端末装置と接続され、前記端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つを管理する制御ノード装置を備えた無線通信システムであって、
   前記端末装置は、前記複数の無線システムのうち通信開始時に初期接続した無線システムを介して前記制御ノード装置へ前記無線システム切替パターンの使用を要求し、
   前記制御ノード装置は、他の端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つに基づき前記端末装置が使用する無線システム切替パターンを決定し、
   前記制御ノード装置は、該決定された無線システム切替パターンを示す情報を端末装置に送信し、
   前記端末装置は、前記制御ノード装置から受信した情報が示す前記無線システム切替パターンに基づいて前記複数の無線システムを切り替えながら通信を継続することを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムであって、前記端末装置は前記複数の無線システムのサービスエリアが重なっているエリアに位置することを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記無線システム切替パターンは前記端末装置固有のものであり、
   該端末装置固有の無線システム切替パターンは前記端末装置が実施するアプリケーション、前記端末装置と前記ネットワーク間の通信のＱｏＳ優先度、前記端末装置と前記ネットワーク間の通信の通信コスト及び前記ネットワークの運用状況のうち少なくともいずれか一つに基づいて、前記複数の無線システムの各無線システムを使用する割合を重み付けすることを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記無線システム切替パターンは直交符号又はＭ系列を用いて生成されたパターンであることを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記制御ノード装置から前記端末装置に送信される情報には前記決定された無線システム切替パターンと共に無線システム切替を開始または停止する時刻に関する情報を含むことを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項５に記載の無線通信システムであって、
   前記制御ノード装置及び前記端末装置はそれぞれＧＰＳを備え、
   前記制御ノード装置から前記端末装置に送信される前記システム切替を開始または停止する時刻に関する情報はＧＰＳ信号を基準として算出されることを特徴とする無線通信システム。
7. 請求項５に記載の無線通信システムであって、
   前記制御ノード装置から前記端末装置に送信される前記システム切替を開始または停止する時刻に関する情報は、前記端末装置が該情報を受信した時刻もしくは該情報が送信された時刻を基準として算出されることを特徴とする無線通信システム。
8. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記ネットワークは、ホームエージェントを備え、
   さらに該無線通信システムは、それぞれ前記ホームエージェントに対応するＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）として動作する前記複数の無線システムの各無線システムのアクセスポイントを備え、
   前記ホームエージェントは前記無線システム切替パターンと、前記端末装置と前記アクセスポイントのいずれかとの対応関係を保持し、
   さら前記ホームエージェントは前記無線システム切替パターンに基づき前記対応関係を更新することを特徴とする無線通信システム。
9. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
   前記複数の無線システムの各無線システムのアクセスポイントと、
   制御ノード装置とを備え、
   前記ネットワークは、ホームエージェントを備え、
   前記制御ノード装置は前記アクセスポイントと前記ホームエージェントとの間に接続され、
   さらに、前記ホームエージェント、前記制御ノード装置及び前記アクセスポイントは、前記制御ノード装置が、前記ホームエージェントに対するＦＡとして動作し、かつ前記アクセスポイントに対するホームエージェントとして動作する階層構造を形成し、
   さらに、前記制御ノード装置は、前記無線システム切替パターンを保持し、該無線システム切替パターンに基づき前記端末装置が通信に用いるアクセスポイントを切替えることを特徴とする無線通信システム。
10. 請求項１に記載の無線通信システムであって、
    前記複数の無線システムの中でもっとも平均スループットが遅い無線システムの平均スループット以上のスループットで前記端末装置と前記ネットワーク間でＴＣＰを用いた通信が行われた場合には、前記最も平均スループットが遅い無線システムの平均スループットで前記端末装置と前記ネットワーク間でＴＣＰを用いた通信が行われた場合よりもウィンドウサイズを小さくしないようウィンドウ制御することを特徴とする無線通信システム。
11. 請求項１に記載のシステムであって、
    前記複数の無線システムの中でもっとも平均遅延時間が長い無線システムの平均遅延時間以下の遅延時間で前記端末装置と前記ネットワーク間でＴＣＰを用いた通信が行われた場合には、前記最も平均遅延時間が長い無線システムの平均遅延時間で前記端末装置と前記ネットワーク間でＴＣＰを用いた通信が行われた場合よりもウィンドウサイズを小さくしないようウィンドウ制御することを特徴とする無線通信システム。
12. ネットワークに接続された端末装置であって、
    前記端末装置は複数の無線システムを収容する無線通信システムを介して前記ネットワークに接続されており、
    前記無線通信システムは、前記端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つを管理する制御ノード装置を有し、
    前記端末装置は、
    前記複数の無線システムと通信可能な送受信部と、
    該端末装置が使用するシステムホッピングパターンの情報を保持するシステムホッピング情報部と、
    前記保持されたシステムホッピングパターンの情報に基づき前記複数の無線システムの切換えに必要なシステムホッピングパターンを生成するシステムホッピングパターン生成器と、
    前記システムホッピングパターン生成器により生成されたシステムホッピングパターンに基づき前記複数の無線システムから該端末装置が使用する無線システムを選択するセレクタを備え、
    前記複数の無線システムのうち通信開始時に初期接続した無線システムを介して前記制御ノード装置へ前記無線システム切替パターンの使用を、前記制御ノード装置に要求し、
    他の端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つに基づき前記端末装置が使用するものとして、前記制御ノード装置によって決定された無線システム切替パターンを示す情報を受信し、
    当該受信した情報が示す前記無線システム切替パターンに基づいて前記複数の無線システムを切り替えながら通信を継続することを特徴とする端末装置。
13. 請求項１２に記載の端末装置であって、
    前記システムホッピングパターン生成器からの出力に基づき、前記複数の無線システムの各無線システムの送受信機能の必要機能のみの電源をオンにし、不要な送受信機能の電源をオフにすることを特徴とする端末装置。
14. 端末装置及びネットワークに接続され、前記端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つを管理する制御ノード装置であって、
    前記端末装置は、前記複数の無線システムのうち通信開始時に初期接続した無線システムを介して前記制御ノード装置へ前記無線システム切替パターンの使用を要求し、
    前記制御ノード装置は、他の端末装置の無線帯域の使用状況及びネットワーク運用状況のうち少なくともいずれか一つに基づき前記端末装置が使用する無線システム切替パターンを決定し、
    該決定された無線システム切替パターンを示す情報を前記端末装置に送信する制御ノード装置。
15. 請求項１４に記載の制御ノード装置であって、
    前記端末装置からの要求に基づき該端末装置が使用する無線システム切替パターンを決定するシステム切替チェック部と、
    前記システム切替チェック部の決定結果に基づき前記複数の無線システムの切替えに必要な無線システム切替パターンを生成するシステム切替パターン生成器と、
    前記生成されたシステム切替パターンに基づいて前記複数の無線システムを切替えるスイッチを備えた制御ノード装置。
16. 請求項１５に記載の制御ノード装置であって、
    前記システム切替パターン生成器からの出力に基づき、前記複数の無線システムの各無線システムの送受信機能の必要機能のみの電源をオンにし、不要な送受信機能の電源をオフにすることを特徴とする制御ノード装置。