JP5020923B2 - 帯域割り当て方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基地局と1以上の端末との間で無線回線を介して通信を行う無線通信システムにおいて、音声信号をIPパケットに収容して通信を行う際の通信品質の中で、特に処理遅延特性を改善する帯域割り当て方法に関する。本発明は、マイクロ波帯を用いた無線アクセス標準規格であるWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) 規格に基づく無線通信における低遅延化技術に適する。
近年、広域の無線アクセスシステムとして注目されているWiMAXは、ホーム・オフィス環境や限定された公衆エリアでの無線LANであるIEEE802.11系の規格(11b,11a,11g,11n 等)と異なり、基地局から半径数キロメートル以上をエリアとした広域サービスの実現が可能である。WiMAXの規格としては、固定無線によって接続するFWA(Fixed Wireless Access)と呼ばれるIEEE802.16-2004 規格や、移動しながら通信できるモバイルWiMAXと呼ばれるIEEE802.16e-2005規格など、現在も更なる進化を伴う標準化が進められている。
このWiMAXには、複数の物理/MACレイヤの規定が含まれている。その物理層で採用の直交周波数分割多元接続(OFDMA:Orthogonal Frequency Division Multiple Access)の規格では、ダウンリンクとアップリンクを時分割複信(TDD:Time Division Duplexing)で振り分け、5m秒周期フレームの前半にダウンリンクサブフレームを配置し、後半にアップリンクサブフレームを配置している。
図5は、WiMAXにおけるフレーム構成を示す。図において、横軸は時間、縦軸は周波数である。OFDMAでは、全周波数帯域を多数のサブキャリアに分割し、時間方向は所定の時間長のOFDMシンボル単位に刻まれている。各端末には、サブキャリア(またはサブキャリア群(サブチャネル))とOFDMシンボル番号の組み合わせで規定されるスロットを割り当て、そのスロット内にバースト的に信号を収容して通信を行う。
1フレームは、ダウンリンクサブフレーム11とアップリンクサブフレーム12で構成される。ダウンリンクサブフレーム11では、基地局から各端末への信号が連続的に送信され、その区間の先頭にチャネル推定等を行うためのプリアンブル信号13が配置される。さらに、プリアンブル信号13に後続して、フレーム制御ヘッダ(FCH:Frame Control Header) 14、ダウンリンクのマップ情報であるDL−MAP15、アップリンクのマップ情報であるUL−MAP16が配置され、その後にユーザデータまたは制御情報を収容したダウンリンクバースト17およびアップリンクバースト18の割り当てが行われる。
一般に、ダウンリンクサブフレーム11およびアップリンクサブフレーム12内に、多数のバースト割り当てが行われることになるので、その割り当てに応じた情報要素が連続的にFCH14に後続して配置される。その際、制御情報のオーバヘッドを圧縮して効率を向上させるために、多数のマップ情報の重複した情報を一括する圧縮(Compressed)MAPと呼ばれる表示形式でマップ情報が記述される。
図6は、WiMAXにおけるUL−MAPによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示す。
WiMAXでは、図5に記載のUL−MAP16内の Allocation Start Timeフィールドでアップリンクバーストの割り当て位置を示す。この割り当ては、通常、信号処理に要する遅延時間を確保するため、UL−MAP16が収容された同一フレームのアップリンクサブフレーム12を避け、次のフレームのアップリンクフレーム12内を指し示すことになる。例えば、第nフレームのDL−MAP15−1は、同一フレーム内のダウンリンクバースト17−1の割り当てを行うが、第nフレームのUL−MAP16−1は、第(n+1)フレーム内のアップリンクバースト12−2の割り当てを行う(非特許文献1)。
なお、以下の説明では、アップリンクの割り当ては Allocation Start Timeフィールドでαフレーム先の割り当てをする、等の記述を用いるが、図6の場合は1フレーム先であり、α=1に相当する。
図7は、従来技術におけるスケジューリング処理手順を示す。
図において、第nフレーム用のスケジューリング処理を開始すると(S201)、まず第(n+1)フレームのアップリンクのスケジューリングを実施する(S202)。ここでは、UGSコネクションなどの予約済みのスケジューリングは優先的に行い、ベストエフォートコネクションなどは優先度を下げてスケジューリングを行うが、すべて次の第(n+1)フレームのアップリンクバーストに関する割り当てである。次に、第(n+1)フレームのアップリンクバーストに関するUL−MAPを作成し、第nフレームのダウンリンクサブフレーム内のUL−MAP領域に収容する(S203)。このUL−MAPの帯域はフレームごとに異なるので、確定したUL−MAP用の帯域を除外した第nフレームのダウンリンクの残り帯域を計算する(S204)。次に、第nフレームのダウンリンクの残り帯域の範囲で、第nフレームのダウンリンクのスケジューリングを実施し(S205)、第nフレームのダウンリンクバーストに関するDL−MAPを作成し、第nフレームのダウンリンクサブフレーム内のDL−MAP領域に収容し(S206)、スケジューリング処理を終了する(S207)。ここで、従来のスケジューリング処理の特徴は、すべての端末のAllocation Start Time が共通であり、α=1に固定して運用されるところにある。
さて、WiMAXは、広域の無線アクセスサービスの提供に適したシステムであり、過疎地域でのデジタルデバイド(情報格差)の解消などのために有効な技術として注目されている。このような過疎地域にブロードバンドサービスを提供する場合、その無線アクセス回線を用いて音声系のサービスも可能であることから、従来は個別に電話線を引いていた固定電話サービスも、将来的には無線アクセス回線の中に収容することが考えられる。ここで、地域ごとに市外局番が先頭について「03-****-****」や「045-***-****」などの電話番号(通称で「0AB−J番号」と呼ばれる)を用いた固定電話サービスは、「090-****-**** 」や「050-****-**** 」などの移動系およびIP電話とは別物と位置づけられ、例えば発信場所を特定できたり緊急通報に対応できるなどの利用条件(以下、「0AB−J品質」という)が規定されている(非特許文献2)。
通信事業者は、この0AB−J品質のIP電話サービスを光ファイバを用いた回線を利用して提供している。ここで、0AB−J番号の利用条件として規定されている固定電話並みの通話品質には遅延時間も含まれており、UNI−UNI間で70m秒、UNI−NNI間で50m秒と規定されている。アクセス系に関する配分は明記されていないが、仮に上記の差分がアクセス系への配分と仮定するならば、0AB−J品質のIP電話の場合にはアクセス系で20m秒以下の遅延を満たす必要がある。有線回線である光ファイバを用いた従来のサービスは、このアクセス回線での20m秒という遅延条件はそれほど厳しいものではない。しかし、WiMAXは5m秒周期のフレーム単位で伝送を行い、さらに処理も複雑であることから、CSMA(Carrier Sense Multiple Access)を採用し処理も単純で低遅延な無線LANと異なり、遅延時間20m秒のハードルは非常に厳しいものであった。
無線回線としてWiMAX規格に準拠したシステムを用いた場合の処理遅延の内訳を整理すると、(a) 5m秒と長いフレーム周期、(b) 送信側でのインタフェース部の処理、(c) 帯域割り当てまでの待ち時間、(d) 送信側のMAC処理および物理層処理、(e) 送信開始までのタイミング調整、(f) 受信側の物理層処理およびMAC処理、(g) 出力のためのインタフェース部の処理など、その複雑な仕様に起因してIEEE802.11等の無線LANに比べて格段に長い処理遅延が必要であった。この無線回線で発生する処理遅延および遅延の揺らぎは、ベストエフォート型のサービスでは問題にならないレベルであるが、0AB−J品質のIP電話サービスを提供するには無視できない問題となる。
IEEE Std 802.16-2004,"IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems", 6.3.7.2〜6.3.7.5 章,2004年 http://www.soumu.go.jp/s-news/2007/070124_3.html
以上説明したように、WiMAX等の比較的長いフレーム周期をもった無線通信システムを介してIP電話のデータ転送を行う場合には、処理遅延が増大する問題を解決する必要があった。特に、0AB−J品質のIP電話サービスを提供する場合には、無線区間の処理遅延を20m秒以下に抑える必要があるが、既存の無線通信システムをみる限りではこの要求条件を満足することは困難である。
なお、WiMAX規格の中では、バースト割り当てを行うフレームのタイミングをIP電話等のアプリケーションのデータの到着と同期させて効率的な割り当てを行うことは可能であるが、IP電話等のアプリケーションのクロックと無線基地局が管理するフレーム周期または無線基地局の内部クロックとを完全に同期させることは不可能である。その結果として、1フレーム分の割り当て待ちの遅延時間を回避することができない。
図8は、従来技術におけるアップリンクの送信処理動作を示す。ここでは、図6に示すフレーム#nからフレーム#n+2におけるアップリンクバーストの割り当てを例に説明する。例えば、フレーム#n+1のアップリンクの割り当ては、フレーム#nのUL−MAP16−1で行われる。端末側は、UL−MAP16−1の受信処理を行い、この受信処理が完了した時刻t1の時点で送信バッファ内に収容されているデータをアップリンクバースト12−2に収容して送信する。同様に、フレーム#n+2のアップリンクの割り当ては、フレーム#n+1のUL−MAP16−2で行われる。端末側は、UL−MAP16−2の受信処理を行い、この受信処理が完了した時刻t4の時点で送信バッファ内に収容されているデータをアップリンクバースト12−3に収容して送信する。すなわち、データが時刻t1の直後の時刻t2に到着しても、時刻t4の直前の時刻t3に到着しても、同一のフレーム#n+2のアップリンクバースト12−3に収容して送信されることになる。このアップリンクバースト12−3は基地局に受信され、時刻t5で基地局は受信処理して再生したデータを出力する。したがって、フレーム#n+2のアップリンクバースト12−3に収容されるデータのうち、時刻t2のタイミングで端末装置に入力したデータの処理遅延が最大となり、時刻t3のタイミングで端末装置に入力したデータの処理遅延が最小となる。
ここで、IP電話とWiMAXシステムは完全に非同期であるために、この時刻t2から時刻t3の間に一様分布するように端末装置にデータが到着している。したがって、最大5m秒の遅延揺らぎが避けられず、最悪値である時刻t2のタイミングで端末装置に入力したデータについても、要求品質である遅延20m秒以下となることが求められる。
ところで、図6を参照して説明したように、特にアップリンクの帯域割り当てには、ほぼ2フレーム分の処理遅延が必要となり、クロックの不完全同期による1フレームを加えると、この時点で既に3フレーム分、すなわち20m秒中の15m秒もの配分を使い尽くしている。さらに、実際には受信側の受信信号処理や、データの入出力時のインタフェース部で付加される遅延、またネットワーク側でのASNゲートウェーなどでの処理遅延などが必要となるため、要求条件を満たすためには処理遅延時間を短縮するための工夫が求められている。
本発明は、アップリンクの帯域割り当てをフレーム内または次フレーム内で行う端末を区別し、処理遅延を短縮可能とする帯域割り当て方法を提供することを目的とする。
本発明は、基地局と1以上の端末が無線回線を介して接続され、端末から基地局へのアップリンクまたは基地局と端末との間の双方向のリンクにおいて周期的なデータ伝送を行うことが可能な無線通信システムであって、基地局は、所定のフレーム周期で端末に対して、アップリンクの帯域割り当てを行い、その帯域割り当て情報をフレームの先頭の通知領域で端末に通知し、端末は、フレームの通知領域で通知されたアップリンクの割り当て帯域情報に基づく帯域でデータ送信を行う帯域割り当て方法において、基地局は、各端末に対して、予めフレームの通知領域でアップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定して通知し、端末からアップリンクのデータを受信したか否かを検出し、アップリンクのデータを受信できた端末を特定の端末とし、その他の端末を特定の端末以外とし、基地局は、特定の端末に対して、フレームの通知領域で通知するアップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定し、特定の端末以外には、フレームの通知領域で通知するアップリンクの帯域割り当てを次フレーム内に設定する。
また、基地局は、所定の品質条件が設定された端末に対して、予めフレームの通知領域でアップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定して通知し、当該端末からアップリンクのデータを受信したか否かを検出し、アップリンクのデータを受信できた端末を特定の端末とし、その他の端末を特定の端末以外とする。
さらに、基地局は、アップリンクのデータの誤り検出を行い、所定回数連続して誤りを検出したときに、当該データを送信した端末を特定の端末以外とする。
本発明は、処理遅延時間が長くなるアップリンクにおいて、Allocation Start Time の値を短く設定可能な端末に対しては、アップリンクの帯域割り当てを当該フレーム内に設定することにより、1フレーム分の処理遅延を短縮することができる。その結果、遅延短縮が可能な端末を選択して利用することにより、WiMAX等の無線通信システムを用いるユーザに対して、0AB−J品質のIP電話サービスを提供することができる。
図1は、本発明におけるAllocation Start Time の最適値確認処理手順を示す。
図において、基地局は、各端末に対するコネクション確立後、個別にAllocation Start Time の最適値αの確認処理を開始する(S1)。まず、α=0として試験用のアップリンクバーストを割り当て(S2)、該当するアップリンクバーストを受信する。ここで、当該アップリンクバーストが符号誤りなしに正常に受信されたか否かを判断する(S3)。当該アップリンクバーストが正常に受信できた場合には、その端末に対してα=0として運用するように登録し(S6)、処理を終了する(S7)。
一方、当該アップリンクバーストが正常に受信できない場合には、端末側は正常に送信したにもかかわらず符号誤りによって正常に受信できなかった可能性もあるので、正常受信に連続失敗した回数をカウントし、その回数が所定の閾値M(例えばM=3)に達したか否か判断し(S4)、M回連続して正常受信に失敗するまでステップS2に戻って同様の処理を繰り返す。M回連続して正常受信に失敗した場合には、その端末は当該フレームのアップリンクバーストの割り当てに対応できないものと判断し、α=1として運用するように登録し(S5)、処理を終了する(S7)。
なお、ステップS3では、当該アップリンクバーストが符号誤りなしに正常に受信されたか否かを判断しているが、当該アップリンクバーストの信号受信レベルを検出し、少なくとも端末側がそのアップリンクバーストに信号を送信していることをもって「正常受信」として判断してもよい。
また、図1に示す処理は、必ずしも全ての端末に対して実施しなくてもよい。例えば、伝送品質に関する要求がベストエフォート型のサービスクラスであった場合、予約された帯域がある訳でもなく、遅延時間が多少長くなっても特に問題はない。一方、UGSのように帯域予約を伴うサービスクラスの場合は、遅延に関しては短縮化が強く望まれる。したがって、このような遅延に関する要求条件(品質条件)ごとに、図1の処理の実施の必要性を設定し、その設定に応じて必要なコネクションに対してこの処理を実施してもよい。または、全ての端末に対して図1の処理を実施し、試験用のアップリンクバーストを正常受信してステップS6でα=0と設定した端末のうち、ベストエフォート型のサービスクラス等の一部のサービスクラスに対して、α=1と再設定して運用してもよい。
以上の処理により、端末ごとにAllocation Start Time の最適値αを取得し、その後のスケジューリングについては以下の処理となる。
図2は、本発明におけるスケジューリング処理手順を示す。
図において、第nフレーム用のスケジューリング処理を開始すると(S11)、まず第(n+1)フレームのアップリンクとして、予約済みの帯域を除いた残帯域を算出する(S12)。ここで、予約済み帯域とは、Allocation Start Time 値α=1のコネクションに加え、α=0のコネクションも含めて評価する。すなわち、第nフレームと第(n+1)フレームの両方のUL−MAPにおいて、第(n+1)フレームのアップリンクに割り当てられる予約済み帯域の総和である。
次に、α=1であるコネクションに対して、第(n+1)フレームのアップリンクのスケジューリングを実施する(S13)。ここでは、UGSコネクションなど予約済みのスケジューリングは優先的に行い、ベストエフォートコネクションなどは優先度を下げてスケジューリングを行う。次に、第(n+1)フレームのアップリンクバーストに関するUL−MAPを作成し、第nフレームのダウンリンクサブフレーム内のUL−MAP領域に収容する(S14)。続けて、第(n+1)フレームのスケジューリングで割り当て済み帯域を除いた第nフレームの残帯域を算出する(S15)。次に、α=0であるコネクションに対して、第nフレームのアップリンクのスケジューリングを実施する(S16)。次に、第nフレームのアップリンクバーストに関するUL−MAPを作成し、第(n+1)フレームのアップリンクバーストに関するUL−MAPとマージして最終的なUL−MAPを作成し、第nフレームのダウンリンクサブフレーム内のUL−MAP領域に収容する(S17)。
このUL−MAPの帯域はフレームごとに異なるので、確定したUL−MAP用の帯域を除外した第nフレームのダウンリンクの残り帯域を計算する(S204)。次に、第nフレームのダウンリンクの残り帯域の範囲で、第nフレームのダウンリンクのスケジューリングを実施し(S205)、第nフレームのダウンリンクバーストに関するDL−MAPを作成し、第nフレームのダウンリンクサブフレーム内のDL−MAP領域に収容し(S206)、スケジューリング処理を終了する(S18)。
以上が本発明におけるスケジューリング処理であるが、ここであるフレーム(例えば第n+1フレーム)のアップリンクのスケジューリングに着目すると、α=1のコネクションは1つ前の第nフレームで割り当てが実施され、α=0のコネクションは1フレーム遅れる第n+1フレームで割り当てが実施される。このため過負荷状態では、予約外の帯域の割り当て処理において、結果的にα=0のコネクションよりもα=1のコネクションの方が優先的に処理されることになる。そこで、α=0となる能力を備えた端末であっても、サービスクラスとしてα=0としての動作を必要としない場合には、α=1として運用することにしてもよい。または、各フレームで割り当てしきれない積み残しのデータが存在する場合には、それらを次のフレームで優先的に割り当てるようにしてもよい。以上の例外的な処理を許容しつつ、基本的には図1および図2に示す処理により本発明は実現可能である。
このように、本発明のスケジューリング処理の特徴は、Allocation Start Time の値αが1のコネクションと0のコネクションを混在して運用している点である。なお、ダウンリンクのスケジューリング部分であるステップS204〜S206は、図7に示した従来技術と同一処理内容である。
図3は、本発明におけるUL−MAPによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示す。
図6に示す従来方式との違いは、フレーム#nのUL−MAP16−1が同一フレーム内のアップリンクバースト12−1の割り当てを行い、フレーム#n+1のUL−MAP16−2が同一フレーム内のアップリンクバースト12−2の割り当てを行うところにある。これは、図1に示した処理手順において、α=0として運用するように登録した端末に対する動作であり、α=1として運用するように登録した端末に対しては従来通りに図6の割り当てを行う。本発明では、端末ごとのAllocation Start Time の最適値αに応じた処理を可能にするところにある。
図4は、本発明におけるアップリンクの送信処理動作を示す。ここでは、フレーム#n+1のアップリンクの割り当ては、フレーム#n+1のUL−MAP16−2で行われる。端末側は、UL−MAP16−2の受信処理を行い、この受信処理が完了した時刻t4の時点で送信バッファ内に収容されているデータをアップリンクバースト12−2に収容して送信する。すなわち、時刻t2からt4の間に到着するデータは、同一のフレーム#n+1のアップリンクバースト12−2に収容して送信される。
このように、同一フレームのアップリンクバーストによる送信可能な端末に対しては、選択的に同一フレームのアップリンクに対してUL−MAPで割り当てを行うことにより、次のフレームのアップリンクバーストで送信する場合に比べて1フレーム分だけの処理遅延の短縮が可能となる。
本発明におけるAllocation Start Time の最適値確認処理手順を示すフローチャート。 本発明におけるスケジューリング処理手順を示すフローチャート。 本発明におけるUL−MAPによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示すタイムチャート。 本発明におけるアップリンクの送信処理動作を示すタイムチャート。 WiMAXにおけるフレーム構成を示す図。 WiMAXにおけるUL−MAPによるアップリンクバーストの割り当ての概要を示すタイムチャート。 従来技術におけるスケジューリング処理手順を示すフローチャート。 従来技術におけるアップリンクの送信処理動作を示すタイムチャート。
符号の説明
11 ダウンリンクサブフレーム
12 アップリンクサブフレーム
13 プリアンブル信号
14 フレーム制御ヘッダ(FCH)
15 DL−MAP
16 UL−MAP
17 ダウンリンクバースト
18 アップリンクバースト

Claims (3)

  1. 基地局と1以上の端末が無線回線を介して接続され、端末から基地局へのアップリンクまたは基地局と端末との間の双方向のリンクにおいて周期的なデータ伝送を行うことが可能な無線通信システムであって、
    前記基地局は、所定のフレーム周期で前記端末に対して、前記アップリンクの帯域割り当てを行い、その帯域割り当て情報をフレームの先頭の通知領域で前記端末に通知し、
    前記端末は、前記フレームの通知領域で通知された前記アップリンクの割り当て帯域情報に基づく帯域でデータ送信を行う帯域割り当て方法において、
    前記基地局は、前記各端末に対して、予め前記フレームの通知領域で前記アップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定して通知し、前記端末から前記アップリンクのデータを受信したか否かを検出し、前記アップリンクのデータを受信できた端末を特定の端末とし、その他の端末を特定の端末以外とし、
    前記基地局は、前記特定の端末に対して、前記フレームの通知領域で通知する前記アップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定し、前記特定の端末以外には、前記フレームの通知領域で通知する前記アップリンクの帯域割り当てを次フレーム内に設定する
    ことを特徴とする帯域割り当て方法。
  2. 基地局と1以上の端末が無線回線を介して接続され、端末から基地局へのアップリンクまたは基地局と端末との間の双方向のリンクにおいて周期的なデータ伝送を行うことが可能な無線通信システムであって、
    前記基地局は、所定のフレーム周期で前記端末に対して、前記アップリンクの帯域割り当てを行い、その帯域割り当て情報をフレームの先頭の通知領域で前記端末に通知し、
    前記端末は、前記フレームの通知領域で通知された前記アップリンクの割り当て帯域情報に基づく帯域でデータ送信を行う帯域割り当て方法において、
    前記基地局は、所定の品質条件が設定された端末に対して、予め前記フレームの通知領域で前記アップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定して通知し、当該端末から前記アップリンクのデータを受信したか否かを検出し、前記アップリンクのデータを受信できた端末を特定の端末とし、その他の端末を特定の端末以外とし、
    前記基地局は、前記特定の端末に対して、前記フレームの通知領域で通知する前記アップリンクの帯域割り当てを同フレーム内に設定し、前記特定の端末以外には、前記フレームの通知領域で通知する前記アップリンクの帯域割り当てを次フレーム内に設定する
    ことを特徴とする帯域割り当て方法。
  3. 請求項または請求項に記載の帯域割り当て方法において、
    前記基地局は、前記アップリンクのデータの誤り検出を行い、所定回数連続して誤りを検出したときに、当該データを送信した端末を前記特定の端末以外とする
    ことを特徴とする帯域割り当て方法。
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