JP5172742B2 - 無線通信方法、無線通信システム、および基地局 - Google Patents

無線通信方法、無線通信システム、および基地局 Download PDF

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Description

本発明は、無線通信接続によりデータの送受信を行なう無線基地局と複数の無線端末との間における無線通信方法、無線通信システム、および基地局に関する。
近年、設備制御、交通、流通、環境保全、食・農業、地震モニタリング、医療福祉などを中心とした分野において、無線タグ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ等の短距離の無線通信システムによるユビキタスネットワークが普及し始めている。今後、アプリケーションや、サービスなどの開発に伴い、本ネットワークの利用ユーザ数、端末数の増加が期待される。そこで、様々なアプリケーションや、サービスなどをより多くのユーザや端末に提供可能とし、さらに、サービスエリアを拡大できる広域ユビキタスネットワークが注目されている。
図６は、広域ユビキタスネットワークの略構成を示すブロック図である。図６において、広域ユビキタスネットワークは、データを収集したり、各種サービスを提供したりするサーバ群１０と、該サーバ群１０が接続されている固定ネットワークである有線ネットワーク２０と、該有線ネットワーク２０に接続された複数の基地局３０と、広域に点在する複数の無線端末４０とから構成される。なお、図６には基地局３０を１つのみ図示しており、当該基地局３０には、複数の無線端末４０として、無線端末４０−１、４０−２、…、４０−Ｎが直接収容されている。
該広域ユビキタスネットワーク内の無線端末４０は、バッテリ駆動され、データの測定や、測定データの送信等の最小限の機能しか有していない低消費電力・低機能の端末が主流である。このため、無線端末４０からのトラヒックは、（１）データ量が少ない、（２）送信間隔が比較的長いという特徴を有する。そして、このような無線端末４０が１つの基地局３０の配下に多数存在することから、トラヒック特性としては、アップリンクのトラヒックが多く存在し、全体のトラヒック量は増大する傾向にある。さらに、該広域ユビキタスネットワークでは、できるだけ多くの無線端末４０からのデータを収集することが目的となるため、１台の基地局３０にできるだけ多くの無線端末４０を効率良く収容する必要がある。従って、該広域ユビキタスネットワークでは、１台の基地局３０で多数の低機能な無線端末４０を効率良く収容しつつ、高スループット、低伝送遅延時間を実現できるＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルが要求される。
上記要求条件を満たすＭＡＣプロトコルとしては、リソース利用効率が高い集中制御手法の１つである動的スロット割当（ＤＳＡ：Dynamic Slot Assignment）方法が知られている。該動的スロット割当では、基地局が無線端末からの要求に応じた帯域（スロット）を動的に割り当てるものである。
図７は、ＴＤＭＡ−ＴＤＤ（Time Division Multiple Access-Time Division Duplex）におけるＭＡＣフレームの一例を示す概念図である。ＭＡＣフレームは、固定長（一定時間）であり、下りリンク（ＤＬ：Down Link）と上りリンク（ＵＬ：Up Link）との２つに分かれ、下りリンクＤＬは、報知区間とデマンドアサイン（ＤＬ−ＤＡ）区間、上りリンクは、デマンドアサイン（ＵＬ−ＤＡ）区間とランダムアクセス（ＲＡ）区間で構成される。デマンドアサイン区間は、無線端末、あるいは無線リンク毎に割り当てられた領城であり、コンテンションフリーでアクセス可能な領域である。一方、ランダムアクセス区間は、複数の無線端末が使用する領域であり、コンテンションベースのアクセス領域であり、複数のＲＡＣＨスロットから構成される。
また、データや、制御情報などを送受信するために、ＢＣＣＨ（Broadcast Control Channel：ブロードキャスト制御チャネル）、ＦＣＣＨ（Frame Control Channel：フレーム制御チャネル）、ＲＦＣＨ（Random access Feedback Channel：ランダムアクセスフィードバックチャネル）、ＬＣＣＨ（Logical Control Channel：論理制御チャネル）、ＵＤＣＨ（User Data Channel：ユーザデータチャネル）、ＲＡＣＨ（Random Access Channel：ランダムアクセスチャネル）のチャネルが使用される。ＢＣＣＨは、フレーム同期用で、かつ、無線端末に基地局の属性（基地局のＩＤ、フレーム番号等）を報知するために使用される。ＦＣＣＨは、無線端末単位あるいは無線リンク単位で帯域割当を行うデマンドアサイン区間での無線端末毎あるいは無線リンク毎の帯域割当に関する情報（固定長）、例えば、帯域を割り当てた無線端末あるいは無線リンクを特定可能なＩＤ、割当チャネル、割当位置、割当量等を通知するために使用される。また、ＲＦＣＨは、ランダムアクセス情報（本フレームでのランダムアクセスＲＡの開始位置及びＲＡＣＨスロット数等）、アクセスパラメータ（Initial Window Size：ＩＷＳとPersistent Factor：ＰＦ）及び前フレームのランダムアクセス結果（成功した端末のＩＤをPartial Echo：ＰＥとして通知する）を端末単位で通知（固定長）するために使用される。ＬＣＣＨは、固定長であり、帯域要求（Resource Request：ＲＲＥＱ）や、ＡＲＱ（Automatic Repeat Request）等の無線端末毎あるいは無線リンク毎の制御情報を送受信するために使用される。ＵＤＣＨは、可変長であり、ユーザデータを送受信するために使用される。ＲＡＣＨは、固定長であり、ランダムアクセスのためのチャネルであり、無線端末が無線リンクに対して上記ＲＲＥＱをコンテンションベースのアクセス方式により基地局へ送信するために使用される。
上記動的スロット割当（ＤＳＡ）方法には、無線端末が基地局に対して帯域要求を行うためにランダムアクセスを用いる方法（ＤＳＡ＋ＲＡ）がある。該ランダムアクセス方法は、バースト的に発生する非周期性のデータを柔軟かつ効率よく収容できるため、動的スロット割当方法として広く適用されている。
図８は、従来技術による、ランダムアクセス方法（ＤＳＡ＋ＲＡ）を用いたアップリンクのデータ送信シーケンスの一例を示すシーケンス図である。図示の例では、基地局３０は、ＭＡＣフレームの先頭から順にＢＣＣＨ（Ｂ）、ＦＣＣＨ（Ｆ）、ＲＦＣＨ（ＲＦ）を送信する。基地局３０の配下の無線端末４０は、ＲＦＣＨ（ＲＦ）を受信することで、そのフレームでのランダムアクセスの開始位置、ＲＡＣＨ（Ｒ）スロット数（以下の説明においてＲＡＣＨ数とする。）を知ることができる。
無線端末４０は、データを送信する場合、送信データのための帯域を要求するために無線端末あるいは無線リンクを特定するＩＤを含むＲＲＥＱをＲＡＣＨ（Ｒ）で送信する。このとき、無線端末４０は、Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌバックオフアルゴリズムに基づいた送信待機時間であるバックオフ時間を、他の無線端末との衝突を回避するために自律的に決定する。このアルゴリズムでは、０からＷＳ（Window Size）内の一様乱数値（整数）を生成し、該乱数値をバックオフスロット数とし、該バックオフスロット数の経過に要する時間をバックオフ時間とする。また、最初のランダムアクセス時には、ＲＦＣＨ（ＲＦ）で通知されているＩＷＳをＷＳとして用いる。ここで、バックオフ時間の開始（バックオフの開始スロット）をバックオフ制御の開始とする。無線端末４０は、バックオフ時間が完了した時点で、ＲＲＥＱを待機完了直後のＲＡＣＨスロットで送信する。もし、このＲＡＣＨ（Ｒ）が、他の無線端末からのＲＡＣＨ（Ｒ）と衝突した場合、無線端末４０は、Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌバックオフアルゴリズムを適用してＲＲＥＱを再送する。このとき、ＷＳは、送信回数ｎ、ＩＷＳ（Ｗ０）及びＰＦ（ｐ）を用いて、ＷＳ＝ｐｎ−１×Ｗ０により決定される。なお、この再送要否の判断は、無線端末４０が次フレームのＲＦＣＨ（ＲＦ）を受信し、ＲＦＣＨ（ＲＦ）中のランダムアクセス結果を参照することにより行われる。すなわち、該ランダムアクセス結果に、自無線端末あるいは自無線リンクを特定するＩＤがあれば成功と判定し、ＩＤがなければ失敗と判定する。基地局３０では、ＲＲＥＱを正しく受信できた場合に、次フレームのＲＦＣＨ（ＲＦ）でＲＲＥＱの受信成功した無線端末あるいは無線リンクを特定するＩＤを通知し、次フレーム以降のＵＬのＤＡ区間において、ＲＲＥＱから帯域要求値に相当するＵＤＣＨ（Ｕ）を割り当てる。また、該ＵＤＣＨ（Ｕ）を割り当てた次のフレームにおいて、該ＵＤＣＨ（Ｕ）に対する到達確認を無線端末４０に送信するためのＡＲＱ−ＡＣＫ／ＮＡＣＫ用のＬＣＣＨ（Ｌ）を割り当てる。無線端末４０は、ＡＣＫ用のＬＣＣＨ（Ｌ）を受信した場合は、該データの送信処理を終了（完了）する。一方、ＮＡＣＫ用のＬＣＣＨ（Ｌ）を受信した場合は、Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌバックオフアルゴリズムを適用してＲＲＥＱを再送する。
５ＧＨｚ帯アドバンスドワイヤレスアクセス（ＡＷＡ）システムの開発 −ＭＡＣ／ＤＣＬ機能−、２０００年、電子情報通信学会ソサイエティ大会、Ｂ−５−３９、ｐｐ．３２７ Haitao Wu, Yong Peng, Keping Long,Shiduan Cheng,Jian Ma, "Performance of Reliable Transport protocol over IEEE 802.11 Wireless LAN:Analysis and Enhancement",INFOCOM 2002,vol.2,pp.559-607,2002. 西田俊夫著、「待ち行列の理論と応用」、朝倉書店、第１１４頁〜第１２３頁、昭和５３年６月２０日発行
しかしながら、上述したアップリンクのデータ送信方法では、特に、該広域ユビキタスネットワークのように、基地局３０の配下に多数の無線端末４０−１、４０−２、…、４０−Ｎが存在する場合、ランダムアクセス区間へのＲＲＥＱ送信時に、ランダムアクセス区間へのアクセスが増加し、ＲＡＣＨ（Ｒ）の衝突に伴うオーバーヘッドが増加するという問題がある。
このオーバーヘッドは、Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌバックオフアルゴリズムに基づいた送信待機時間であり、伝送特性を劣化させる要因となっている。
したがって、上述のアップリンクのデータ送信方法では、ランダムアクセス区間のトラヒック状況に伝送特性が大きく依存するため、新たに伝送遅延時間を保証するためのランダムアクセスの制御が必要となる。
ここで、伝送遅延時間が要求されるサービスクラスをサービスクラス１とし、伝送遅延時間の規定がないサービスクラスをサービスクラス２とする。ランダムアクセスを制御する方法として、ランダムアクセス区間のアクセスパラメータであるＩＷＳをサービスクラス２よりも小さい値に設定することで、ランダムアクセスでの優先制御を実現する方法（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ）がある。しかし、本優先制御では、制御パラメータがサービスクラス毎に固定であるため、トラヒック状況が全く考慮されておらず、遅延時間を保証できないという問題がある。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ランダムアクセスベースでの通信において、伝送遅延時間を保証する無線通信方法、無線通信システム、および基地局を提供することにある。
上記問題を解決するために、本発明にかかる無線通信方法は、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、前記端末局は、前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信し、前記基地局は、前記サービスクラス毎に、通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信方法は、前記基地局が、前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、収容後のトラヒックパラメータを用いて前記無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しないことを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信方法は、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、前記端末局は、前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信し、前記基地局は、前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しないことを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信方法は、前記基地局のトラヒック測定部が、前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定し、前記基地局の伝送時間算出部は、前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記基地局のランダムアクセスサイズ算出部は、前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出し、前記基地局のランダムアクセスサイズ割当部は、前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信方法は、前記基地局のトラヒックパラメータ更新部が、前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新し、前記基地局の伝送時間算出部は、更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信方法は、前記基地局が、マルコフモデルに基づいて定められる状態遷移確率に基づいて前記無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信システムは、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、前記端末局は、前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信する無線通信システムにおいて、前記基地局は、前記サービスクラス毎に、通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信システムは、複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、前記基地局は、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、前記端末局は、前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信する無線通信システムにおいて、前記基地局は、前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しないことを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信システムは、前記基地局が、前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定するトラヒック測定部と、前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出するランダムアクセスサイズ算出部と、前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定するランダムアクセスサイズ割当部と、を有することを特徴とする。
また、本発明にかかる無線通信システムは、前記基地局が、前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新するトラヒックパラメータ更新部と、更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、を有することを特徴とする。
また、本発明にかかる基地局は、複数の端末局と共通の無線回線により接続され、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信する基地局において、前記サービスクラス毎に、通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定することを特徴とする。
また、本発明にかかる基地局は、複数の端末局と共通の無線回線により接続され、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信する基地局において、前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しないことを特徴とする。
また、本発明にかかる基地局は、前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定するトラヒック測定部と、前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出するランダムアクセスサイズ算出部と、前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定するランダムアクセスサイズ割当部と、を有することを特徴とする。
また、本発明にかかる基地局は、前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新するトラヒックパラメータ更新部と、更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、通信端末局数、平均発生間隔及び平均データサイズから、無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいてランダムアクセス領域長（すなわち、ＲＡＣＨ数）を決定し、要求値が設定されている無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を保証することができる効果を奏する。
また、本発明によれば、新規端末の受付制御（新規端末の収容可否）を、基地局のみの変更で行うことができる効果を奏する。
本実施の形態にかかる無線通信システムの構成を示すブロック図である。 本実施の形態にかかるＭＡＣフレームの一例を示す概念図である。 本実施の形態にかかる無線通信システムにおける、算出対象となる処理時間を示したシーケンス図である。 本実施の形態にかかる基地局でのＲＡＣＨ数割当処理フローの一例を説明するフローチャートである。 本実施の形態にかかる基地局でのトラヒック受付判定フローの一例を説明するフローチャートである。 広域ユビキタスネットワークの略構成を示すブロック図である。 ＴＤＭＡ−ＴＤＤにおけるＭＡＣフレームの一例を示す概念図である。 ランダムアクセス方法を用いたアップリンクのデータ送信シーケンスの一例を示すシーケンス図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本発明の一実施形態にかかる無線通信システムでは、ＱｏＳ規定（無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間）を保証するため、サービスクラス毎に、トラヒック測定を行い、トラヒックパラメータ（通信端末数、データの平均サイズ、データの平均発生間隔）を算出する。そして、トラヒックパラメータに応じて、無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、該サービスクラス用のランダムアクセス領域長、すなわち、ＲＡＣＨ数を決定する。これは、ＱｏＳ規定が要求されているサービスクラスのデータ伝送において、帯域割当要求信号であるＲＲＥＱ送信用のランダムアクセス領域長を動的に制御することで、ＱｏＳ規定を保証するものである。
図１は、本発明の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。なお、図６に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。本発明にかかる無線通信システムは、基地局３０により、異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供する複数のサービスクラスが定義され、サービスクラス毎に異なる要求（規定値）が設定されている。なお、サービスクラスとは、無線通信を利用したサービス毎のＱｏＳのレベルを判定するための指標であり、無線アクセス時間、伝送遅延時間、スループット、遅延ゆらぎ、パケットエラー率などによって決定される。
本実施の形態にかかる基地局３０は、無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間をこのＱｏＳの判定尺度とし、例えば、規定時間が要求されるサービスクラスをサービスクラス１とし、規定時間が要求されないサービスクラスをサービスクラス２として管理し、サービスクラス１に対して、規定時間内の通信を保証する処理を行う。また、基地局は、無線端末に対してサービスクラスの通信を提供する場合、サービスクラスに対応した特定の無線リンクを提供するものとする。以下では、前記２つのサービスクラスを提供する場合を例に説明する。なお、本発明は、規定時間が要求されるサービスクラスが複数ある場合にも適用可能であり、かかる場合においてはサービスクラス１に対する処理を各サービスクラスに対して、個別に適用する。
図２は、本実施の形態にかかるＭＡＣフレームの一例を示す概念図である。
本発明では、サービスクラス毎にランダムアクセス領域を設け、アクセスを分離する。
すなわち、ランダムアクセス領域は、図２に示すようにサービスクラス１用のランダムアクセス領域１（ＲＡ領域１）とサービスクラス２用のランダムアクセス領域２（ＲＡ領域２）から構成され、無線端末４０は、サービスクラス１の通信においてはＲＡ領域１に対してのみ、サービスクラス２の通信においてはＲＡ領域２に対してのみ、アクセス（ＲＲＥＱの送信）可能である。
基地局３０は、無線端末（端末局）４−１〜４−Ｎ（以下、無線端末を代表して説明する場合、無線端末４０のように記載する）と共通の無線回線により接続され、無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、そのランダムアクセス区間を異なるＱｏＳを提供するサービスクラス毎に分けて管理する。基地局３０は、ランダムアクセス区間で受信した無線端末４０からの帯域割当要求信号（ＲＲＥＱ）に対して、要求分の上り通信用帯域をデマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられたデマンドアサイン区間の帯域で無線端末４０から送信される伝送データを受信する。
基地局３０は、無線端末４０から送信される信号（ＲＲＥＱのＲＡＣＨ等）や伝送データ（ＵＤＣＨ等）の受信状況を、サービスクラス毎に管理し、図１に示すとおり、測定部３００、トラヒック受付部３１０を有する。基地局３０は、測定部３００において、規定時間を要求されるサービスクラス毎にＲＡＣＨ数を決定し、ＲＡＣＨ数に該当する帯域を優先的に確保する。また、基地局３０は、トラヒック受付部３１０において、新規端末の収容可否、或いは、規定時間を要求されるサービスクラスのランダムアクセス領域の使用可否を決定する。
測定部３００は、トラヒック測定部３１、トラヒックパラメータ記憶部３２、平均時間算出部３３、算出結果記憶部３４、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５、ＲＡＣＨ数記憶部３６、フレーム長判定部３７、フレーム割当状況記憶部３８及びＲＡＣＨ割当部３９を含む。
トラヒック測定部３１は、無線端末４０から送信されるデータの伝達における所定の測定区間において、サービスクラス毎に、トラヒック測定を行い、トラヒックパラメータ（通信端末数Ｎ、データの平均サイズＳ、データの平均発生間隔ＴＤ）を算出し、結果をトラヒックパラメータ記憶部３２に記憶させる。なお、測定、算出においては、測定期間を時間、或いは受信数で規定し、一定時間或いは一定受信数毎にパラメータを算出する構成としてもよい。また、一定時間或いは一定受信データ数をウィンドウとすることで時間単位或いは受信単位を規定し、ウィンドウをスライディングさせ平均化してもよい。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、規定時間を要求されるサービスクラス毎に、平均時間算出部３３に対してＲＡＣＨ数を出力し、平均時間算出部３３は、入力されるＲＡＣＨ数及び測定されたトラヒックパラメータに基づき、該当するサービスクラスの平均伝送時間、すなわち、平均無線アクセス時間、或いは、平均伝送遅延時間を推定する。また、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、推定された平均伝送時間が規定時間を満たすかどうかを判定し、満たすＲＡＣＨ数の内で最適なＲＡＣＨ数を決定する。ＲＡＣＨ割当部３９は、各ＭＡＣフレームにおいて、報知区間、ＤＬ−ＤＡ区間、ＵＬ−ＤＡ区間、ランダムアクセス区間の帯域割当を実施する。そして、ランダムアクセス区間においては、サービスクラス毎に決定されたＲＡＣＨ数を各々割り当てる。
平均時間算出部３３は、図１においては図示しないが、確率算出部３３１、チャネル数算出部３３２、ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３、データ送信時間算出部３３４及び平均伝送時間算出部３３５より構成される。
確率算出部３３１は、サービスクラス毎に、トラヒックパラメータ記憶部３２に記憶されたトラヒックパラメータ（通信端末数Ｎ、データの平均サイズＳ、データの平均発生間隔ＴＤ）、後述するＲＡＣＨ数範囲判定部３５から入力されるＭＡＣフレームあたりのＲＡＣＨ数ＮＲ及びＭＡＣフレーム長Ｌを用いて、サービスクラス毎のランダムアクセスに対する確率を、マルコフ連鎖モデルを用いて算出する。
すなわち、バックオフ制御における乱数発生範囲ＷＳの状態遷移については、例えば非特許文献２において、マルコフ連鎖の定常分布ｂｉ，ｋに従うことが示されている。定常分布ｂｉ，ｋを用いると、ＲＡＣＨを送信する確率τは、次式で表わされる。
Figure 0005172742
 ここで、ｐは、ＲＡＣＨ送信において失敗する確率を示し、ｍは最大再送回数を表わしている。なお、上記文献においては、端末局は常に基地局へ送信するデータをもつこと（データ送信後、直ちにバックオフ制御を開始すること）を仮定しているのに対して，本発明では、端末局が必ずしも常にデータをもつとは限らないと仮定している。そこで、上記文献におけるτを示す式（９）にｂ０，０を用いることはせず、c０，０を用いている。c０，０は、次式で表される。
Figure 0005172742
 ここで、ｐｇは、サービスクラスのデータの平均発生間隔ＴＤ、ＭＡＣフレームあたりのＲＡＣＨ数ＮＲ及びＭＡＣフレーム長Ｌを用いて、Ｌ／（ＴＤ×ＮＲ）で表わされる。
また、ＲＡＣＨの送信失敗確率ｐは、次式において表わされる。
Figure 0005172742
 確率算出部３３１は、以上の確率計算をしたのち、式（１）〜式（３）を用いて、ＲＡＣＨ送信確率τ及びＲＡＣＨ送信失敗確率ｐを算出し、算出結果記憶部３４にサービスクラス毎に記憶させる。
チャネル数算出部３３２は、サービスクラス毎に、ＰＥ数、ＵＤＣＨ数及びＬＣＣＨ数を算出する。
ここで、図３に示すように、平均無線アクセス時間とは、データ送信のためのバックオフ制御の開始、すなわち、バックオフ時間（バックオフスロット数）の決定から該データを基地局が受信するまでの時間であり、平均伝送遅延時間とは、データの発生から該データを基地局が受信するまでの時間である。
また、ＰＥ数とは、ランダムアクセスに成功した端末数であり、ＵＤＣＨ数とは、図２におけるＵＤＣＨチャネル数であり、以下の説明において、ＵＬ−ＤＡ区間のチャネル数をＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＤＡ区間のチャネル数をＤＬ−ＵＤＣＨ数とする。また、ＬＣＣＨ数とは、図２におけるＬＣＣＨチャネル数であり、以下の説明において、ＵＬ−ＤＡ区間のチャネル数をＵＬ−ＬＣＣＨ数、ＤＬ−ＤＡ区間のチャネル数をＤＬ−ＬＣＣＨ数とする。
チャネル数算出部３３２は、ＵＬデータ送信に関連する、ＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数を次のように算出する。ｓを当該サービスクラスのランダムアクセス区間に対するＲＡＣＨの送信成功確率とすると、ｓは上述のＲＡＣＨ送信確率τ及びＲＡＣＨ送信失敗確率ｐを用いて、ｓ＝Ｎ×τ×（１−ｐ）で表わされる。
チャネル数算出部３３２は、算出結果記憶部３４に記憶された該当するサービスクラスのτ及びｐを読み出し、ＲＡＣＨの送信成功確率ｓを算出し、後述のＲＡＣＨ数範囲判定部３５から入力されるＲＡＣＨ数ＮＲを乗じて、当該サービスクラスにおけるＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数及びＤＬ−ＬＣＣＨ数を計算し、算出結果記憶部３４に記憶させる。すなわち、算出結果記憶部３４は、ＰＥ数＝ＵＬ−ＵＤＣＨ数=ＤＬ−ＬＣＣＨ数＝ｓ×ＮＲを記憶する。なお、規定時間が要求されていないサービスクラスの場合（本実施の形態では、サービスクラス２の場合）、或いは、上述の処理がまだ実施されていないサービスクラスの場合、基地局のトラヒック測定部３１から、測定により取得した平均ＰＥ数、平均ＵＬ−ＵＤＣＨ数＝平均ＤＬ−ＬＣＣＨ数、平均データサイズを取得し、それらをＵＬデータ送信に関する推定値として用いるか、前回のＵＬデータ送信に関する推定値を用いるか、或いは、あらかじめ決められたＵＬデータ送信に関する規定値を推定値として用いるか、いずれの方法をとってもよい。
一方、ＤＬデータ送信に関連する、ＤＬ−ＵＤＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数については、トラヒック測定部３１から、測定において取得した、平均ＤＬ−ＵＤＣＨ数＝平均ＵＬ−ＬＣＣＨ数、平均データサイズを取得し、それらを算出結果記憶部３４にＤＬデータ送信に関する推定値として記憶させる。
ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、該当するサービスクラスの上記算出結果を算出結果記憶部３４から読み出し、ＲＲＥＱ送信時間を算出する。ここで、ＲＲＥＱ送信時間とは、図３の場合、バックオフ制御の開始から、次のＭＡＣフレームでＲＡＣＨ送信し、さらにその次のＭＡＣフレームでのＲＦＣＨ受信までの時間とする。なお、これは図３に示す無線アクセス時間を、説明の便宜上、ＲＲＥＱ送信時間とデータ送信時間に分けたものであり、データ送信時間は、後述するデータ送信時間算出部３３４において算出される。
ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、次の（１）、（２）及び（３）における計算時間を合計することにより、ＲＲＥＱ送信時間を算出する。
（１）バックオフ制御の開始がフレーム内で一様であると仮定すると、開始位置はフレーム中央となる。従って、実際にバックオフ時間の減算が行われる次フレームまでの時間は、ワイヤレスＭＡＣフレーム長Ｌを用いて、Ｌ／２となる。ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、まず、Ｌ／２を算出する。
（２）次に、ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、ＲＡＣＨ送信までの平均所要時間、すなわち平均バックオフ時間ＴＢＯを、次式で算出する。
Figure 0005172742
 ここで、ｔＢＯ（ｉ）は、次の式で表わされる。
０≦ｉ≦ｍ’において、
ｔＢＯ（ｉ）＝（１−ｐ）×ｐｉ×（１／２）×Ｗ０×（２ｉ＋１−１）
ｍ’＜ｉ≦ｍにおいて、
ｔＢＯ（ｉ）＝（１−ｐ）×ｐｉ×（１／２）×Ｗ０×｛（２ｍ’＋１−１＋（ｉ−ｍ’）×２ｍ’｝
ここで、Ｗ０はＩＷＳであり、ｍは既知の最大再送回数であり、ｍ’は既知のＷＳの最大値に達する再送回数であり、再送回数ｉの場合のバックオフ時間を、ｔＢＯ（ｉ）としている。
なお、ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、算出に際して、上述のＲＡＣＨ送信失敗確率ｐを算出結果記憶部３４から読み出し、用いる。
（３）さらに、ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、ＲＡＣＨ送信後のフレームからＲＡＣＨ送信成功を通知するＲＦＣＨ受信までの所要時間、すなわちＢＣＣＨ長＋ＦＣＣＨ長＋ＲＦＣＨ長を計算する。ここで、ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、可変長のＦＣＣＨ長及びＲＦＣＨ長を算出するに際して、全てのサービスクラスの、ＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＵＤＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数及びＤＬ−ＬＣＣＨ数を算出結果記憶部３４から読み出し、これらを用いて算出する。なお、当該サービスクラスのＵＬデータ送信以外の割り当て状況に関しては、推定値を使用する。ＦＣＣＨにおいては、帯域割当情報数が可変要素であり、帯域量は、割当チャネル総数×割当情報長（固定長）で算出される。よって、ＦＣＣＨ長は、固定要素分と可変要素分を足し合わせることで算出される。また、ＲＦＣＨにおいては、ランダムアクセス結果（ＰＥ)数が可変要素であり、ＰＥ総数×ＰＥ長（固定長）で算出される。よって、ＲＦＣＨ長は、固定要素分と可変要素分を足し合わせることで算出される。
ＲＲＥＱ送信時間算出部３３３は、以上の（１）、（２）及び（３）における計算時間の合計することにより、ＲＲＥＱ送信時間を算出し、算出結果記憶部３４に記憶させる。
データ送信時間算出部３３４は、算出対象であるサービスクラスに対して、上記ＲＲＥＱ送信時間に続くデータ送信時間を算出する。これは、図３において示しているように、上記ＲＲＥＱ送信時間で最後に受信したＲＦＣＨ受信後のＤＬ−ＤＡ所要時間と、それに続くＵＬ−ＤＡ（アップリンクのデマンドアサイン区間）のうちで、算出対象であるサービスクラスのデータ（ＵＤＣＨ)の基地局での受信が完了するまでの所要時間を算出し、これらの合計を求めることで算出する。ＤＡでの所要時間は、サービスクラス毎のＬＣＣＨ、ＵＤＣＨチャネルの割り当て状況、すなわち、算出結果記憶部３４に記憶されているＬＣＣＨ数、ＵＤＣＨ数及び平均データサイズを考慮する。なお、当該サービスクラスのＵＬデータ送信以外の割り当て状況に関しては、推定値を使用する。ＤＬ−ＤＡに関しては、全てのサービスクラスを考慮するが、ＵＬ−ＤＡに関しては、算出対象であるサービスクラスの割当よりも規定時間が小さいサービスクラス全てを考慮する。このとき、基地局におけるチャネルスケジューリングのポリシーを考慮する。本実施の形態においては、まず、チャネルに対するスケジューリングポリシーを、ＬＣＣＨ、ＵＤＣＨの順とする。次に、同一チャネルにおいては、短い規定時間を有するサービスクラスの順とする。以下では、上述のスケジューリングポリシーを用いてＤＬ−ＤＡ、ＵＬ−ＤＡのサイズの算出について説明する。
ＤＬ−ＤＡのサイズは、次式で示される。
Figure 0005172742
 なお、本実施形態においては、サービスクラス１，２を提供するので、サービスクラス数が２の場合であり、データ送信時間算出部３３４は、この式に基づき、ＤＬ−ＤＡのサイズを求め、伝送速度で除することにより、ＤＬ−ＤＡ所要時間を算出する。
また、ＵＬ−ＤＡのサイズは、次式で示される。
Figure 0005172742
 ここで、第２項のｊは、算出対象であるサービスクラスよりも規定時間が短いサービスクラスを表している。また、算出対象であるサービスクラスのＵＤＣＨの送信完了時点を、ＵＬ−ＵＤＣＨ数の中央値に相当するＵＤＣＨの送信が完了した時点としている。本実施形態においては、サービスクラス１，２を提供するので、第１項のサービスクラス数が２の場合である。また、規定時間を要求されるサービスクラスはサービスクラス１だけであるので、上式において第２項は０となる。データ送信時間算出部３３４は、この式に基づき、ＵＬ−ＤＡのサイズを求め、伝送速度で除することにより、ＵＬ−ＤＡ所要時間を算出する。
データ送信時間算出部３３４は、ＤＬ−ＤＡ所要時間とＵＬ−ＤＡ所要時間を合計し、データ送信時間を算出し、結果をサービスクラス毎に算出結果記憶部３４に記憶する。
平均伝送時間算出部３３５は、算出結果記憶部３４からＲＲＥＱ送信時間及びデータ送信時間を読み出し、合計し無線アクセス時間を算出する。また、この無線アクセス時間を用いて、非特許文献３記載の次の２式により、平均伝送遅延時間（Ｗ）を算出してもよい。なお、図３において示されているように、平均伝送遅延時間は、データの発生からバックオフ制御の開始までの時間（キューイング時間）と無線アクセス時間を足し合わせ時間に相当する。
Figure 0005172742
Figure 0005172742
 ここで、λは平均データ発生間隔（ＴＤ）の逆数であり、ｃＳは無線アクセス時間分布の変動係数、ρはλ／μを表している。
また、μは無線アクセス時間の逆数であり、σＳは無線アクセス時間分布の標準偏差、ｍ２は無線アクセス時間分布の２次モーメントを表している。
このように、平均時間算出部３３は、トラヒックパラメータ記憶部３２に記憶された算出対象のサービスクラスのトラヒックパラメータ（通信端末数Ｎ、データの平均サイズＳ、データの平均発生間隔ＴＤ）、次に説明するＲＡＣＨ数範囲判定部３５から入力されるＭＡＣフレームあたりのＲＡＣＨ数ＮＲに基づいて、算出対象のサービスクラスの平均伝送時間、すなわち、無線アクセス時間、或いは、平均伝送遅延時間（Ｗ）を算出し、算出結果をＲＡＣＨ数範囲判定部３５に対して出力する。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、ＲＡＣＨ数記憶部３６、フレーム長判定部３７、フレーム割当状況記憶部３８を制御し、算出対象のサービスクラスに対するＭＡＣフレームあたりのＲＡＣＨ数ＮＲを決定する。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、ＲＡＣＨ数ＮＲを、予め設定されているＭＡＣフレームあたりの最小値と最大値の間で変動させ、上述の平均時間算出部３３に対して出力する。
フレーム割当状況記憶部３８は、算出対象のサービスクラスのＲＡＣＨ数ＮＲに対して、算出結果記憶部３４に記憶されている割当状況（ＰＥ数、ＵＤＣＨ数、ＬＣＣＨ数、平均データサイズ、ＲＡＣＨ数）、算出対象のサービスクラスのＤＬデータ送信に関する推定値、算出対象のサービスクラス以外のＵＬ、ＤＬデータ送信に関する推定値及びそれらの割当状況から算出されるＦＣＣＨ、ＲＦＣＨを反映したフレームを有している。
フレーム長判定部３７は、フレーム割当状況記憶部３８のフレーム長が規定フレーム長を超える場合は、算出対象のサービスクラスのＲＡＣＨ数を割り当てることができないので、例えば内部に設けたフラグ（判定開始フラグ）を０として、超えない場合は、判定開始フラグを１とする。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、フレーム長判定部３７が判定開始フラグを１としたときには、平均時間算出部３３が算出した平均伝送時間に基づき、ｆ（ＮＲ）＝規定時間−平均伝送時間（≧０）を算出し、ＲＡＣＨ数ＮＲとともにＲＡＣＨ数記憶部３６に記憶する。
ＲＡＣＨ数記憶部３６は、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５により算出されたｆ（ＮＲ）を、ＲＡＣＨ数ＮＲと対応付けて記憶する。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、ＲＡＣＨ数ＮＲの変動完了後、ＲＡＣＨ数記憶部３６から、最小となるｆ（ＮＲ）に対応するＲＡＣＨ数ＮＲを読み出し、ＲＡＣＨ割当部３９に対して出力する。
ＲＡＣＨ割当部３９は、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５により決定されたＲＡＣＨ数に基づき、該当するＲＡＣＨ数を優先的に確保する。また、決定されたＲＡＣＨ数に対して、チャネル数算出部３３２が算出した当該サービスクラスのＵＬデータ送信に関する割当状況（ＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数）をＵＬデータ送信に関する推定値として算出結果記憶部３４に記憶する。
次に、図４を用いて、基地局３０でのＲＡＣＨ数割当処理フローについて説明する。
本フローは、規定時間が要求されるサービスクラス毎に実施される。同一フレームで複数のサービスクラスに対して実施する場合は、規定時間が小さいサービスクラスから実施する。また、本フローは、毎フレーム実施してもよいし、複数フレーム毎に実施してもよい。ここで、複数フレーム毎に実施する場合、その実施期間をＲＡＣＨスケジューリング周期とよぶ。規定時間に関しては、無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を規定することができる。
図４に示すとおり、トラヒック測定部３１は、所定の測定区間において、トラヒックパラメータを測定、算出し、トラヒックパラメータ記憶部３２に記憶させる（Ｓ１）。
次に、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、算出対象のサービスクラスに対して、予め設定されているＭＡＣフレームあたりの最小値と最大値の間でＲＡＣＨ数ＮＲを、平均時間算出部３３に対して出力する（Ｓ２）。
平均時間算出部３３は、平均伝送時間、すなわち、平均無線アクセス時間、或いは、平均伝送遅延時間を算出する。入力されるＲＡＣＨ数ＮＲに対応する平均伝送時間を算出し、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５に対して出力する。また、平均時間算出部３３は、当該サービスクラスのＵＬデータ送信に関する割当状況を、フレーム割当状況記憶部３８のフレームに反映させる（Ｓ３）。
フレーム長判定部３７は、フレーム割当状況記憶部３８のフレーム長が規定フレーム長を超える場合は、フラグ（判定開始フラグ）を０とし（Ｓ４−ＹＥＳ）、超えない場合は、判定開始フラグを１とする（Ｓ４−ＮＯ）。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、フレーム長判定部３７のフラグが１の場合は、ｆ（ＮＲ）＝規定時間−平均伝送時間を算出し、ＲＡＣＨ数ＮＲとともにＲＡＣＨ数記憶部３６に記憶する（Ｓ５）。なお、フレーム長判定部３７のフラグが０の場合は、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、当該処理を行わない。
次に、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、ｆ（ＮＲ）の最小値argmin｛ｆ（ＮＲ）｝に対応するＲＡＣＨ数ＮＲを読み出し、ＲＡＣＨ割当部３９に対して出力する（Ｓ６）。また、当該サービスクラスのＵＬデータ送信に関する割当状況（ＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数）をＵＬデータ送信に関する推定値として算出結果記憶部３４に記憶する。
ＲＡＣＨ割当部３９は、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５により決定されたＲＡＣＨ数に該当する帯域を優先的に確保するＲＡＣＨ割当処理を実行する。すなわち、ＲＡＣＨ割当部３９は、ＮＲを整数値に限定する場合、本フローの適用形態（毎フレーム、或いは、ＲＡＣＨスケジューリング周期で適用）に関係なく、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５により決定されたＲＡＣＨ数を当該サービスクラス用のランダムアクセス区間として毎フレーム割り当てる。一方、ＮＲを整数値に制限しない場合、本フローをＲＡＣＨスケジューリング周期で適用し、最初のフレームから順番に１つずつ、端数分のＲＡＣＨ数を割り当てる。例えば、ＲＡＣＨスケジューリング周期がＮ＝１０フレームであって、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５により決定されたＲＡＣＨ数が１０．２である場合、最初の２フレームに対してＲＡＣＨを１１個、残りのフレームに対してはＲＡＣＨを１０個割り当てる。
基地局３０は、ＭＡＣフレームのスケジューリングにおいて、報知区間、デマンドアサイン区間に続き、サービスクラス毎のランダムアクセス区間の帯域の割当を行う。本実施の形態においては、基地局３０は、ランダムアクセス区間の帯域割当に関して、規定時間が設定されているサービスクラス１に対して、算出されたＲＡＣＨ数分の帯域を優先的に確保する。そして、規定時間が設定されていないサービスクラス２に関しては、残帯域をサービスクラス２に割り当てる。なお、本実施の形態において、規定時間を要求されるサービスクラスが１つしか設定されていない構成について説明したが、本発明はこれに限られず、規定時間が異なる複数のサービスクラス、例えば、規定時間が１０秒以下であるサービスクラス１と、規定時間が２０秒以下であるサービスクラス２と、規定時間がないベストエフォート処理を実行するサービスクラス３が設定される構成であってもよい。この場合、本発明にかかる無線通信システムは、サービスクラス１、２に対して、各々、その順番で、図４に記載したフローを適用し、各サービスクラス用のランダムアクセス領域長を優先的に決定する。なお、サービスクラス３用のランダムアクセス領域は残帯域を割り当てる。
すなわち、本発明によれば、規定時間を要求されるサービスクラスのトラヒックパラメータ値に対して、最適なランダムアクセス領域長を決定することで、無線リソースの利用効率を向上させ、無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を保証するという効果を奏する。
（第２実施形態）
次に、本発明の他の実施形態を、図面を参照して説明する。本発明の他の実施形態にかかる無線通信システムは、基地局３０が平均伝送時間を保証しつつ、対象サービスクラスの新規端末を新たに収容できるかどうかを判定する受付制御機能を有した無線通信システムに関する。当該無線通信システムは、新規端末を含めたトラヒックパラメータを再計算し、そのパラメータで規定時間を満たすフレームを構成し、フレーム規定を満たすかどうか判定することにより新規端末収容の可否判定を行う。
基地局３０は、図１に示すトラヒック受付部３１０において、新規端末の収容可否を決定するため、トラヒックパラメータ更新部４１、ＵＬ長生成部４２及びＵＬ長比較部４３を有する。
トラヒックパラメータ更新部４１は、上述のトラヒックパラメータ（通信端末数Ｎ、データの平均サイズＳ、データの平均発生間隔ＴＤ）の更新を行う。
トラヒックパラメータ更新部４１は、新規端末のデータの平均サイズＳｎｅｗ、データの平均発生間隔ＴＤ_ｎｅｗとした場合、更新後のトラヒックパラメータの通信端末数（Ｎ＋１）、データの平均サイズを（Ｎ×Ｓ＋Ｓｎｅｗ）／（Ｎ＋１）、データの平均発生間隔を（Ｎ×ＴＤ＋ＴＤ_ｎｅｗ）／（Ｎ＋１）と算出し、これらのパラメータを記憶する。
ＵＬ長生成部４２は、上述の新規トラヒックパラメータを用いて対象サービスクラスのＵＬ割当状況（ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＲＡＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数）を算出し、当該クラス以外のＵＬ割当状況を反映させたＵＬ長を生成し、記憶部に記憶する。
ＵＬ長比較部４３は、ＵＬ長生成部４２が生成したＵＬ長を既定のＵＬ上限長と比較し、上限以下であれば、新規端末の収容を許可し、上限を越える場合は収容を拒否する。
ここで、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＲＡＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数算出に関しては、上述の第１の実施形態において述べた各部の機能がそのまま使用できる。これらの割当状況は、ＵＬ、ＤＬデータ送信に関する推定値として、算出結果記憶部３４が保持している。
従って、ＵＬ長生成部４２は、新規トラヒックパラメータをトラヒックパラメータ記憶部３２に記憶させ、ＵＬ長生成部４２は、平均時間算出部３３及びＲＡＣＨ数範囲判定部３５を使用し、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＲＡＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数の算出を行うことができる。
次に、図５を用いて、基地局３０でのトラヒック受付判定フローについて説明する。
図５に示すとおり、トラヒックパラメータ更新部４１は、新規トラヒックパラメータを算出、更新し、トラヒックパラメータ記憶部３２に記憶させる（Ｓ１１）。
ＲＡＣＨ数範囲判定部３５は、予め設定されているＭＡＣフレームあたりの最小値と最大値の間でＲＡＣＨ数ＮＲを、平均時間算出部３３に対して出力する（Ｓ１２）。
平均時間算出部３３は、入力されるＲＡＣＨ数ＮＲに対応する平均伝送時間、すなわち、平均無線アクセス時間、或いは、平均伝送遅延時間を算出し、ＲＡＣＨ数範囲判定部３５に出力する。また、ＵＬ長生成部は、平均時間算出部３３により算出された当該サービスクラスのＵＬ、ＤＬデータ送信に関する割当状況をもとに、フレーム割当状況記憶部３８のフレームに反映させる（Ｓ１３）。
ＵＬ長比較部４３は、フレーム割当状況記憶部３８のＵＬフレーム長が規定ＵＬフレーム長を超える場合は、ＲＡＣＨ数を変更する（Ｓ１４−ＹＥＳ）。一方、規定ＵＬフレーム長を超えない場合（Ｓ１４−ＮＯ）は、平均伝送時間が規定時間を満たすかどうかを判定し（Ｓ１５）、満たす場合（Ｓ１５−ＮＯ）には、受付ＯＫと判定し、新規端末収容を許可する（Ｓ１６）。一方、満たさない場合は、ＲＡＣＨ数を変更する（Ｓ１５−ＹＥＳ）。全てのＲＡＣＨ数に対して、受付ＯＫとなるＲＡＣＨ数が存在しない場合、受付ＮＧとし、新規端末収容を拒否する（Ｓ１７）。
これにより、本発明の無線通信システムにおいては、規定時間を要求されるサービスクラスの受付制御を実施することで、規定時間を満たさない新規端末の収容を拒否し、帯域利用効率向上をより向上させる効果を奏する。また、本発明によれば、新規端末の受付制御（新規端末の収容可否）を、基地局のみの変更で行うことができる効果を奏する。
１０…サーバ群、２０…有線ネットワーク、３０…基地局、４０…無線端末、３００…測定部、３１…トラヒック測定部、３２…トラヒックパラメータ記憶部、３３…平均時間算出部、３３１…確率算出部、３３２…チャネル数算出部、３３３…ＲＲＥＱ送信時間算出部、３３４…データ送信時間算出部、３３５…平均伝送時間算出部、３４…算出結果記憶部、３５…ＲＡＣＨ数範囲判定部、３６…ＲＡＣＨ数記憶部、３７…フレーム長判定部、３８…フレーム割当状況記憶部、３９…ＲＡＣＨ割当部、３１０…トラヒック受付部、４１…トラヒックパラメータ更新部、４２…ＵＬ長生成部、４３…ＵＬ長比較部

Claims (14)

  1. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、
    前記基地局は、
    前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、
    前記端末局は、
    前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信し、
    前記基地局は、
    前記サービスクラス毎に、
    通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定する
    ことを特徴とする無線通信方法。
  2. 前記基地局は、
    前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、
    収容後のトラヒックパラメータを用いて前記無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、
    前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しない
    ことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
  3. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、
    前記基地局は、
    前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、
    前記端末局は、
    前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信し、
    前記基地局は、
    前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、
    収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、
    前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しない
    ことを特徴とする無線通信方法。
  4. 前記基地局のトラヒック測定部は、
    前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定し、
    前記基地局の伝送時間算出部は、
    前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記基地局のランダムアクセスサイズ算出部は、
    前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出し、
    前記基地局のランダムアクセスサイズ割当部は、
    前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の無線通信方法。
  5. 前記基地局のトラヒックパラメータ更新部は、
    前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新し、
    前記基地局の伝送時間算出部は、
    更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する
    ことを特徴とする請求項４記載の無線通信方法。
  6. 前記基地局は、
    マルコフモデルに基づいて定められる状態遷移確率に基づいて前記無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の無線通信方法。
  7. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、
    前記基地局は、
    前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、
    前記端末局は、
    前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信する無線通信システムにおいて、
    前記基地局は、
    前記サービスクラス毎に、通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定する
    ことを特徴とする無線通信システム。
  8. 複数の端末局が共通の無線回線により基地局と接続され、
    前記基地局は、前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信し、
    前記端末局は、前記送信データが発生した場合、前記端末局、或いは、前記送信データが属するサービスクラスに対して割り当てられた前記サービスクラス用のランダムアクセス区間に対して、バックオフ時間経過後に、前記帯域割当要求信号を前記ランダムアクセス区間内のスロットにおいて前記基地局にランダムアクセス送信する無線通信システムにおいて、
    前記基地局は、
    前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、
    収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、
    前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しない
    ことを特徴とする無線通信システム。
  9. 前記基地局は、
    前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定するトラヒック測定部と、
    前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、
    前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出するランダムアクセスサイズ算出部と、
    前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定するランダムアクセスサイズ割当部と、
    を有することを特徴とする請求項７又は８記載の無線通信システム。
  10. 前記基地局は、
    前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新するトラヒックパラメータ更新部と、
    更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、
    を有することを特徴とする請求項９記載の無線通信システム。
  11. 複数の端末局と共通の無線回線により接続され、
    前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信する基地局において、
    前記サービスクラス毎に、通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズから無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を、前記ランダムアクセス区間のサイズの規定値が小さいサービスクラスから順番に割り当てて決定する
    ことを特徴とする基地局。
  12. 複数の端末局と共通の無線回線により接続され、
    前記無線回線における無線フレーム内の上り通信用帯域のうち割当済みの帯域をデマンドアサイン区間、残りの帯域をランダムアクセス区間とし、前記ランダムアクセス区間を異なるＱｏＳ（Quality of Service）を提供するサービスクラス毎に分けて管理し、前記ランダムアクセス区間で受信した前記端末局からの帯域割当要求信号に対して、要求分の前記上り通信用帯域を前記デマンドアサイン区間に割り当て、この割り当てられた前記デマンドアサイン区間の帯域で前記端末局から送信される送信データを受信する基地局において、
    前記サービスクラスを利用する端末局を新規に収容する際に、
    収容後のトラヒックパラメータを用いて無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定し、
    前記推定した無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間に基づいて前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズ（スロット数）を推定し、
    前記推定したサービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズが規定値を越える場合には、前記端末局を収容しない、或いは、前記端末局に対して前記サービスクラス用のランダムアクセス区間の使用を許可しない
    ことを特徴とする基地局。
  13. 前記サービスクラス毎に、前記通信端末局数、前記送信データの平均発生間隔および前記送信データの平均データサイズを測定するトラヒック測定部と、
    前記測定された通信端末局数、前記平均発生間隔および平均データサイズに基づき無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、
    前記サービスクラス毎に、前記無線アクセス時間と要求値に基づく無線アクセス時間との差が、或いは、前記伝送遅延時間と要求値に基づく伝送遅延時間との差が、最小となる前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを算出するランダムアクセスサイズ算出部と、
    前記サービスクラス毎に、算出されたランダムアクセスサイズに基づき、前記サービスクラス用のランダムアクセス区間のサイズを決定するランダムアクセスサイズ割当部と、
    を有することを特徴とする請求項１１又は１２記載の基地局。
  14. 前記端末局を新規に収容する際に、前記端末局が属するサービスクラス毎に、前記端末局からの平均発生間隔及び平均データサイズの申告値を用いて、前記サービスクラスの収容後の前記通信端末局数、前記平均発生間隔および前記平均データサイズを更新するトラヒックパラメータ更新部と、
    更新された通信端末局数、平均発生間隔および平均データサイズに基づき前記サービスクラスの無線アクセス時間、或いは、伝送遅延時間を推定する伝送時間算出部と、
    を有することを特徴とする請求項１３記載の基地局。
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