JP5303749B2 - 無線通信方法、及び基地局装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信接続によりデータの送受信を行う無線基地局装置と複数の無線端末装置との間における無線通信方法、及び基地局装置に関する。

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。将来のユビキタスサービスでは、時間や、場所に拘束されることなく、あらゆるモノがネットワークに接続されることが要求される。

このようなサービスを提供するには、携帯電話や、無線タグ等の短距離無線のような従来システムを適用することも可能ではあるが、広域のサービスエリアを有し、かつ、モノに装着された小型超長寿命の低廉な低能力無線端末を収容する無線システムを適用する方が経済的、かつ実用的である。そこで、このような無線システム機能を備え、かつ、ユビキタスサービスを実現するサービスプラットフォームを提供する通信インフラである広域ユビキタスネットワークが提案されている。

図５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。広域ユビキタスネットワークでは、あらゆる場所で幅広いアプリケーションをユーザに提供することを目的に、複数のワイヤレスネットワークが固定網へ接続されている。図５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１０と、該サーバ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に接続された基地局装置３０と、広域に点在する複数の無線端末４０−１〜４０−Ｎとから構成される。無線端末４０−１〜４０−Ｎからのデータは、直接、基地局装置３０へと送信され、有線ネットワーク２０を経由し、ネットワーク上のサーバ１０へ送信される。

なお、図５には、基地局装置３０を１つのみ図示しているが実際には複数存在し、基地局装置３０には、無線端末４０−１、４０−２、…、４０−Ｎ（以下、総称して無線端末４０という）が直接収容されている。

該広域ユビキタスネットワークの無線端末４０は，バッテリィ駆動され、センサ／アクチュエータに接続され、測定データの送信や、制御情報の受信等の最小限の機能しか有していない低消費電力・低機能の端末である。このため、無線端末４０のトラヒックは、（１）データ量は少ない、（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つの基地局装置３０の配下に多数存在することから、該広域ユビキタスネットワークの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を目的としているため、１台の基地局装置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。したがって、該広域ユビキタスネットワークを実現する無線アクセスシステムでは、１台の基地局装置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ワイヤレス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方式の１つであるＤＡ（Demand Assignment）方式が用いられる。ＤＡ方式には、無線端末４０が基地局装置３０に対して帯域要求を行うために、ランダムアクセス（ＲＡ）を用いる方式（ＤＡ＋ＲＡ）がある。本方式は、バースト的に発生する非周期性のデータを柔軟、かつ効率良く収容できるため、広く適用されている。

図６は、該無線アクセスシステムで用いられる、ＴＤＭＡ−ＴＤＤ（Time Division Multiple Access-Time Division Duplex：時分割多元接続−時分割複信）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、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ＵＬ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、無線リンク毎の帯域割当領域であり、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、複数の無線端末が共同で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る。

また、データや、制御情報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：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、無線端末に基地局装置の属性（基地局装置ＩＤ等）を報知するために使用される。ＦＣＣＨは、無線リンク単位でのデマンドアサイン区間における帯域割当情報（例えば、帯域割り当ての無線リンクを特定するＩＤ、割当位置、割当チャネル、割当量等）を通知するために使用される。

ＲＦＣＨは、ランダムアクセス区間の情報（ランダムアクセスＲＡの開始位置、ＲＡＣＨスロット数等）、アクセスパラメータ（ＩＷＳ：Initial window sizeとＰＦ：Persistent factor）、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ＰＥ：Partial Echoとして通知）を通知するために使用される。

ＬＣＣＨは、固定長であり、帯域要求（ＲＲＥＱ：Resource request）や、ＡＲＱ（Automatic Repeat Request）等の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、ランダムアクセスのための固定長チャネルであり、無線端末が上記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装置へ送信するために使用される。

図７は、従来技術による、ランダムアクセス方法（ＤＡ＋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、基地局装置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。基地局装置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（ＲＡ）領域の開始位置、ＲＡＣＨ（Ｒ）スロット数を知ることができる。

送信すべきデータをもつ無線端末４０は、データ送信のための帯域を要求するＲＲＥＱを送信するため、Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌバックオフアルゴリズムにより算出されたバックオフ時間を自律的に決定する。これは、他の無線端末との衝突を回避するための送信待機時間である。該アルゴリズムでは、０からＷＳ（Window Size）内の一様乱数値（整数）をバックオフスロット数（時間）とする。最初のランダムアクセス時には、ＲＦＣＨ（ＲＦ）で報知されているＩＷＳをＷＳとして用いる。

無線端末４０は、バックオフ時間が完了した時点で、該当するスロットに対して、ＲＲＥＱを送信する。もし、他の無線端末からのＲＡＣＨ（Ｒ）と衝突した場合には、再送を行う。基地局装置３０では、ＲＲＥＱを正しく受信できた場合、次のフレームのＲＦＣＨでＲＲＥＱの受信成功をＰＥで通知し、帯域要求値に相当するＵＤＣＨ（Ｕ）を割り当てる。また、ＵＤＣＨを割り当てた次フレームにおいて、ＵＤＣＨに対する到達確認を無線端末に送信するため、ＡＲＱ−ＡＣＫ／ＮＡＣＫ用のＬＣＣＨ（Ｌ）を割り当てる。

太田厚、他、"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 西田俊夫、"待ち行列の理論と応用"、朝倉書店

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、該無線システムのように、基地局装置３０の配下に多数の無線端末４０を収容する場合、ランダムアクセス（ＲＲＥＱの送信）が増加し、ＲＡＣＨ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。

該オーバーヘッドは、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、これが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、ランダムアクセス領域のトラヒック状況に伝送特性が大きく依存するため、ランダムアクセスにおいて、伝送品質を保証するための制御が必要となる。

ここで、伝送時間の規定が要求される通信クラスを優先クラスと規定し、そうでないクラスを非優先クラスとする。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を非優先クラス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式（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅ）がある。

該優先制御方式では、ランダムアクセス領域のアクセスパラメータである初期バックオフウィンドウ（ＩＢＷ：Initial Back-off Window）サイズにクラス毎に異なる値を用いる。該優先制御方式では、優先クラスの値は、非優先クラスの値よりも小さい値に設定する。しかしながら、該優先制御方式では、制御パラメータがサービスクラス毎に固定値であるため、トラヒック状況が全く考慮されておらず、伝送時間を保証することが難し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の通信における伝送時間を保証することができる無線通信方法、及び基地局装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、無線回線によりデータの送受信を行う無線基地局装置と複数の無線端末との間における無線通信方法であって、前記無線基地局装置が、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領域、残りの帯域をランダムアクセス領域とし、異なるＱｏＳ規定が設定されている複数の制御対象クラスそれぞれに該ランダムアクセス領域の異なる領域を割り当てる際に、前記制御対象クラスごとに、測定される平均無線端末数、無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、平均ランダムアクセス成功率、及び平均バックオフ時間からランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とを算出し、算出したランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて各制御対象クラスに設定されている前記ＱｏＳ規定を満たすランダムアクセスチャネル数を割り当てる第１のステップを有し、前記ＱｏＳ規定は、アクセス時間の上限である平均アクセス時間規定、又はデータ伝送時間の上限である平均データ伝送時間規定により定められていることを特徴とする無線通信方法である。

本発明は、上記の発明において、前記第１のステップは、前記平均アクセス時間規定又は前記平均データ伝送時間規定とからバックオフ時間規定を算出し、前記ランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、前記ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて、算出したバックオフ時間規定を満たすランダムアクセスチャネル数を前記制御対象クラスごとに割り当てる第２のステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１のステップは、前記制御対象クラスごとに、前記平均無線端末数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間と、ランダムアクセスチャネル数が取り得る値それぞれとから平均アクセス時間又は平均データ伝送時間を算出して、算出した平均アクセス時間又は平均データ伝送時間に基づくランダムアクセスチャネル数を該制御対象クラスに割り当てた無線フレームを構成する第３のステップと、前記制御対象クラスごとに、前記第３のステップにおいて構成された無線フレームのうち、フレーム長が予め定められた規定フレーム長を満たし、かつ、対応する平均アクセス時間又は平均データ伝送時間と、前記ＱｏＳを定めているアクセス時間の上限又はデータ伝送時間の上限との差が最も小さい無線フレームに対応するランダムアクセスチャネル数を割り当てる第４のステップとを含むことを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記基地局装置が、新たに無線端末を収容する際に、前記無線端末における送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記無線端末が属する制御対象クラスにおける送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔とから前記無線端末を収容した際のデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔を算出し、算出したデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記平均無線端末数、前記無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間とから前記ＱｏＳを満たすランダムアクセスチャネル数を算出し、算出したランダムアクセスチャネル数により無線フレームを構成する第５のステップと、前記第５のステップにおいて構成された無線フレームが前記規定フレーム長以下の場合、前記無線端末を新たに収容し、該無線フレームが前記規定フレーム長より長い場合、前記無線端末を新たに収容しない第６のステップとを含むことを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、無線回線により複数の無線端末とデータの送受信を行う無線基地局装置であって、前記無線基地局装置は、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領域、残りの帯域をランダムアクセス領域とし、異なるＱｏＳ規定が設定されている複数の制御対象クラスそれぞれに該ランダムアクセス領域の異なる領域を割り当てる際に、前記制御対象クラスごとに、測定される平均無線端末数、無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、平均ランダムアクセス成功率、及び平均バックオフ時間からランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とを算出し、算出したランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて各制御対象クラスに設定されている前記ＱｏＳ規定を満たすランダムアクセスチャネル数を割り当てる第１の手段を備え、前記ＱｏＳ規定は、アクセス時間の上限である平均アクセス時間規定、又はデータ伝送時間の上限である平均データ伝送時間規定により定められていることを特徴とする基地局装置である。

本発明は、上記の発明において、前記第１の手段は、前記平均アクセス時間規定又は前記平均データ伝送時間規定とからバックオフ時間規定を算出し、前記ランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、前記ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて、算出したバックオフ時間規定を満たすランダムアクセスチャネル数を前記制御対象クラスごとに割り当てる第２の手段とを有することを特徴とする。

本発明は、上記の発明において、前記第１の手段は、前記制御対象クラスごとに、前記平均無線端末数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間と、ランダムアクセスチャネル数が取り得る値それぞれとから平均アクセス時間又は平均データ伝送時間を算出して、算出した平均アクセス時間又は平均データ伝送時間に基づくランダムアクセスチャネル数を該制御対象クラスに割り当てた無線フレームを構成する第３の手段と、前記制御対象クラスごとに、前記第３の手段により構成された無線フレームのうち、フレーム長が予め定められた規定フレーム長を満たし、かつ、対応する平均アクセス時間又は平均データ伝送時間と、前記ＱｏＳを定めているアクセス時間の上限又はデータ伝送時間の上限との差が最も小さい無線フレームに対応するランダムアクセスチャネル数を割り当てる第４の手段とを有することを特徴等する。

本発明は、上記の発明において、前記基地局装置は、新たに無線端末を収容する際に、前記無線端末における送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記無線端末が属する制御対象クラスにおける送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔とから前記無線端末を収容した際のデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔を算出し、算出したデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記平均無線端末数、前記無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間とから前記ＱｏＳを満たすランダムアクセスチャネル数を算出し、算出したランダムアクセスチャネル数により無線フレームを構成する第５の手段と、前記第５の手段により構成された無線フレームが前記規定フレーム長以下の場合、前記無線端末を新たに収容し、該無線フレームが前記規定フレーム長より長い場合、前記無線端末を新たに収容しない第６の手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、ランダムアクセスベースの通信における伝送時間を保証することができる。

本実施形態にかかる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。 本実施形態による、基地局装置４０で実施するＱｏＳ規定を満たすＲＡＣＨ数決定処理を説明するためのフローチャートである。 本実施形態による、トラヒック受付判定処理を説明するための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（ＤＡ＋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。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、各種記号を用いて説明しているが、その中で記号の上部にオーバーラインが付けられている記号について、以下では、対象となる記号の前に（￣）を付けて表記している。

本発明の一実施形態にかかる無線アクセスシステムでは、異なるＱｏＳを提供する複数のサービスクラスを定義する。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、平均伝送時間、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。本実施形態では、平均伝送時間（後述の平均アクセス時間、平均データ伝送時間）をＱｏＳの判定尺度とし、サービスクラスごとに平均伝送時間の上限を設定する。

本実施形態では、２つのサービスクラス（制御対象クラス）が存在する場合を例に説明する。本実施形態では、サービスクラス１、サービスクラス２を設け、それぞれ、優先クラス、非優先クラスとし、優先クラスには要求値を設定し、非優先クラスはベストエフォートとする。なお、本発明は、３つ以上のサービスクラスに対しても適用可能である。これは、優先クラスが複数あり、各クラスで要求されるＱｏＳ値が異なる場合である。

本発明では、全てのサービスクラスに共通のランダムアクセス領域を設けてもよいし、サービスクラス毎にランダムアクセス領域を設け、アクセスを分離してもよい。但し、前者の場合、本発明では、特定クラス（例えば、最も優先度の高いクラス）のＱｏＳ値を満たすように、非優先クラスの無線端末を含めた全てのクラスの無線端末のランダムアクセス特性を考慮し、共通のランダムアクセス領域に対して優先制御が行われる。一方、後者の場合、本発明では、各優先クラスに属する無線端末のランダムアクセス特性を考慮して、該当するランダムアクセス領域に対して優先制御が行われる。以下では、後者の場合を例に取り上げ、本発明の優先制御方法について説明する。

図１は、本実施形態にかかるＭＡＣフレームの一例を示す概念図である。本実施形態では、図１に記載しているように、ランダムアクセス（ＲＡ）領域は、優先クラス用領域（ＲＡ領域１）と、非優先クラス用領域（ＲＡ領域２）とから構成され、優先クラスの無線端末（優先無線端末）４０は、ＲＡ領域１に対してのみランダムアクセス可能であり、非優先クラスの無線端末（非優先無線端末）４０は、ＲＡ領域２に対してのみランダムアクセス可能である。
以下、ランダムアクセス領域を優先クラス用領域と非優先クラス用領域とに割り当てる場合について説明するが、ランダムアクセス領域を複数のクラス（制御対象クラス）に割り当てるようにしてもよい。

本発明の骨子は、図７に示すＵＬデータ送信において、伝送時間の規定を有するクラス（優先クラス）のランダムアクセス状況（ランダムアクセスの成功率とランダムアクセス時のバックオフ時間）を測定し、それらの状況を基に、以下の［１］〜［５］を出力するものである。

［１］平均アクセス時間及び平均データ伝送時間の算出
優先クラスの平均アクセス時間（ワイヤレスＭＡＣにおいて、上位レイヤからのユーザデータ受信から該データを基地局装置３０が受信するまでの時間）や、平均データ伝送時間（ユーザデータの発生から該データを基地局装置３０が受信するまでの時間）を算出する（図２を参照）。

ワイヤレスＭＡＣフレーム長（固定値）をＬとし、優先クラスの通信端末数をｎとし、ＭＡＣフレーム当たりの優先クラスのＲＡＣＨ数をＮ_ＨＰとする。

本発明では、優先クラスのランダムアクセスに対するＲＡＣＨ送信時の成功確率（ｐ）とＲＡＣＨの送信確率（τ）とを以下のように算出する。数式（１）が成立するとき、基地局装置３０で測定する次のパラメータ、優先クラスの平均通信端末数（￣ｎ）、優先クラスのフレーム当たりの平均ＲＡＣＨ数（￣Ｎ_ＨＰ）、優先クラスの平均ランダムアクセス成功率（￣ｓ）、優先クラスの平均バックオフ時間（￣Ｔ_ＢＯ）を用いる。

成功確率ｐは、送信確率τを用いて次式（２）のように表される。

これを送信確率τで解くと、次式（３）となる。

優先クラスのランダムアクセス成功率をｓとすると、ランダムアクセス成功率ｓは、送信確率τを用いて次式（４）のように表される。

上記数式（３）を数式（４）に代入すると、ランダムアクセス成功率ｓは、通信端末数ｎと成功確率ｐで次式（５）のように表される。

ここで、ランダムアクセス成功率ｓと通信端末数ｎの測定値￣ｓ、￣ｎを代入し、成功確率ｐを解くと、２つの解（ｐ_１，ｐ_２）が得られる。
次に、測定した優先クラスのバックオフ時間（￣Ｔ_ＢＯ）を用いて、成功確率ｐを特定する。
今、ランダムアクセス時のバックオフ時間（Ｔ_ＢＯ）は、次式（６）のように表される。

ここで、Ｗ_０，ｍ’，ｍは、各々、初期ウィンドウサイズ、最大ウィンドウサイズに達する回数、最大送信回数であり、固定値である。

そこで、２つの解（ｐ_１，ｐ_２）を数式（６）に代入する（他には、￣Ｎ_ＨＰ）。
数式（７）で示す値を計算し、測定した￣Ｔ_ＢＯと比較し、成功確率ｐは、￣Ｔ_ＢＯに近い値を採用する。

そして、送信確率τは、算出した成功確率ｐと、通信端末数の測定値￣ｎとを数式(３)に代入して、数式（８）のように、送信確率τを算出する。

次に、本発明の無線システムにおいて、平均アクセス時間／平均データ伝送時間を求めるのに必要な優先クラスのＰＥ数、ＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数は、次式（９）で算出する。

上記算出値を用いて、図２に示すアクセス時間とデータ伝送時間とを算出する。
アクセス時間は、ＲＲＥＱ送信時間とデータ送信時間との和とする。これは、説明の都合上での分離であり、これに固執するものではない。ここで、ＲＲＥＱ送信時間とは、ワイヤレスＭＡＣでのデータ受信からＲＡＣＨ送信後、ＲＡＣＨの送信成功を確認したＲＦＣＨ受信までとする。データ伝送時間は、ＲＡＣＨの送信成功を確認したＲＦＣＨ受信後から無線端末４０がデータの送信を完了するまでとする。

本発明では、上記で算出した成功確率ｐ、送信確率τを基に、ＭＡＣフレームを構成するチャネル数や、チャネル長を算出することで、アクセス時間や、データ伝送時間を算出するものである。以下では、前述したＭＡＣフレーム構成（図２を参照）を用いて、算出例としているが、ＭＡＣフレームや、チャネル構成が以下の例に限定されるものではない。

（具体例）
ＲＲＥＱ送信時間は、以下のように算出する。
ワイヤレスＭＡＣでの上位レイヤからのデータの受信がフレーム内で一様であるとすると、平均受信位置は、フレームの中央となり、Ｂａｃｋ−ｏｆｆが開始される次フレームまでの所要時間は、（Ａ１）ＭＡＣフレーム長Ｌ／２である。次に、Ｂａｃｋ−ｏｆｆにおいて、（Ａ２）ＲＡＣＨ送信までの平均所要時間は、平均バックオフ時間（Ｔ_ＢＯ）であり、数式（６）より算出する。さらに、（Ａ３）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は、ＢＣＣＨ長＋ＦＣＣＨ長＋ＲＦＣＨ長となる。ここで、ＦＣＣＨ、ＲＦＣＨは可変長であり、これらの長さを求めるには、全てのクラスのフレーム当たりのＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＵＤＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数、及びＰＥ数を算出する必要がある。

また、クラス毎に平均ＵＤＣＨ長を測定する。このとき、ＰＥ以外のチャネルは、（Ｂ１）現在の割当状況（割当待ちのチャネル）と、（Ｂ２）今後の割当状況とを考慮する。（Ｂ１）では、スケジューリング待ち（未割当）であるチャネル数をクラス毎に、チャネル毎に記憶する。次に、（Ｂ２）では、過去の入力トラヒックからトラヒックを予測し、それに相当するチャネル数を算出する方法を、ＤＬデータ送信時とＵＬデータ送信時とに分けて示す。

ＤＬデータ送信に関しては、基地局装置３０がデータを受信するので、これまでの受信状況からフレーム当たりの入力チャネル数を予測する。これは、クラス毎にフレーム当たりの入力データ数と入力データサイズとの平均を測定し、平均ＤＬ−ＵＤＣＨ数、平均ＵＤＣＨ長、平均ＵＬ−ＬＣＣＨ数を算出する（ＤＬ−ＵＤＣＨ数＝ＵＬ−ＬＣＣＨ数）。

一方、ＵＬデータ送信に関しては、優先クラスの場合には、現ＲＡ状況からＲＡ特性を算出できるので、平均ＰＥ数、平均ＵＬ−ＵＤＣＨ数、平均ＤＬ−ＬＣＣＨ数は、数式（９）より算出する。非優先クラスの場合には、平均ＰＥ数、平均ＵＬ−ＵＤＣＨ数、平均ＤＬ−ＬＣＣＨ数は、基地局装置３０で測定し、その測定値を用いる方法や、予め決められた規定数を用いてもよい。

そして，上記（Ｂ１）と（Ｂ２）とを合算して、クラス毎のＵＬ−ＵＤＣＨ数、ＤＬ−ＵＤＣＨ数、ＵＬ−ＬＣＣＨ数、ＤＬ−ＬＣＣＨ数を算出する。また、ＰＥ数に関しては、優先クラスのＰＥ数は、上記式（９）より算出し、非優先クラスに関しては、基地局装置３０で測定した平均ＰＥ数や、規定値を用いてもよい。

次に、上記算出チャネルの割当を反映したフレームを生成する。割り当てに関しては、スケジューリングポリシーに従い、複数フレームに渡る場合には、規定フレーム内となるように、各フレームを生成する。なお、ここで生成されるフレームは、ＦＣＣＨ長、ＲＦＣＨ長や、データ送信時間を算出するために作成されるフレームであり、実際の割当フレームではない。作成したフレームのうち、最初のフレームのＦＣＣＨ、ＲＦＣＨからＦＣＣＨ長、ＲＦＣＨ長を取得する。
以上より、ＲＲＥＱ送信時間は、上記（Ａ１）＋（Ａ２）＋（Ａ３）で算出する。

データ送信時間は、ＤＬ−ＤＡの開始からＵＬ−ＤＡの優先クラスのＵＤＣＨ送信完了までの所要時間である。該データ送信時間の算出には、上記作成フレームを用いる。ここで、作成フレームが複数フレームに渡る場合、最初のフレームのＤＬ−ＤＡの開始から最終フレームのＵＬ−ＤＡの優先クラスのＵＤＣＨ送信完了までの時間を算出する。このとき、最初のフレームと最終フレームを除くフレームの所要時間を加算する必要があり、これは、該当フレーム数に規定フレーム長を乗算した時間に相当する。

以下は、生成フレームが１フレームの場合のＤＬ−ＤＡの開始からＵＬ−ＤＡの優先クラスのＵＤＣＨ送信完了までの時間、あるいは、複数フレームの場合の最終フレームのＤＬ−ＤＡの開始からＵＬ−ＤＡの優先クラスのＵＤＣＨ送信完了までの時間の算出方法を示している。なお、最終フレームのＤＬ−ＤＡの開始までの時間は、ＢＣＣＨ長＋ＦＣＣＨ長＋ＲＦＣＨ長で算出する。
ＤＬ−ＤＡの所要時間は、次式（１０）で算出する。

ＵＬ−ＤＡに関しては、優先クラスのＵＤＣＨの送信完了までであり、ＵＬ−ＤＡでの所要時間は、次式（１１）で算出する。

ここで、ｊは、対象とする優先クラスよりも優先度の高いクラスとする。当該例では、ｉ＝２であり、対象とするクラスは、優先クラスより、ｊ＝０となる。なお、対象とするクラスのＵＤＣＨの送信完了は、ＵＤＣＨ数の中央値に相当するＵＤＣＨの送信が完了した時点と仮定している。

以上より、データ送信完了時間は、生成フレームが１フレームの場合には、数式（１０）＋数式（１１）である。複数のフレームの場合には、規定フレーム長−ＤＬ−ＤＡの開始までの時間＋（最初、最終フレームを除いた）フレーム数×規定フレーム長＋最終フレームのＢＣＣＨ長＋ＦＣＣＨ長＋ＲＦＣＨ長＋数式（１０）＋数式（１１）で算出する。

なお、上記例では、ワイヤレスＭＡＣのチャネルを用いて所要時間を説明したが、ＰＨＹのプリアンブルや、ガードタイム等を考慮する必要がある（上記例では、チャネルに全てが含まれているものとしている）。

以上より、アクセス時間は、ＲＲＥＱ送信時間とデータ送信完了時間との和で算出される。

次に、データ伝送時間を算出する。
伝送遅延時間（Ｗ）は、非特許文献２より、次式（１２）で算出する。

以下の［２］〜［５］は、アクセス時間、データ伝送時間を保証する方法に関するものである。平均アクセス時間、平均データ伝送時間に対する規定値があるとする。

［２］バックオフ時間によるＲＡＣＨ数の制御
上記規定値からバックオフ時間に使える時間（バックオフ時間規定）を算出し、それを満たすように、優先クラスのランダムアクセス領域長（ＲＡＣＨ数）を制御する。

バックオフ時間規定の算出は、以下の通りである。
平均アクセス時間が規定されている場合には、図２より、データ送信時間を測定により求め、その測定値を平均アクセス時間の規定値から差し引くことで算出する。一方、平均データ伝送時間が規定されている場合には、図２より、キューイング時間とデータ送信時間とを測定により求め、それらの測定値を平均データ伝送時間の規定値から差し引くことで算出する。

ここで、これらの測定値を得るために、無線端末４０では、パケットに時間情報を付与し、基地局装置３０では、パケット受信時間を記憶する。例えば、無線端末４０では、データ発生時間、ＭＡＣでのデータ受信時間をＵＤＣＨに付与して基地局装置３０へ送信し、基地局装置３０は、ＲＲＥＱの受信時間、ＵＤＣＨ受信時間を記憶し、データ送信開始時間を、ＵＤＣＨ受信時間からＲＲＥＱ受信時間を差し引くことで算出し、また、キューイング時間を、ＭＡＣでのデータ受信時間からデータ発生時間を差し引くことで算出する。これらの測定は、クラス毎に行われ、測定は、測定期間を時間、あるいは、サンプル数で規定してもよいし、一定時間、あるいは、一定数毎に測定値を平均化してもよい。また、一定時間、あるいは、一定サンプル数をウィンドウ長とし、ウィンドウをスライディングさせて平均化してもよい。

以下に示す処理は、複数フレーム毎に基地局装置３０で実施する。
基地局装置３０は、制御対象クラスに対して、上述した測定、平均化処理を行い、バックオフ時間規定（Ｔ_{ＢＯ＿Ｒｅｑ}）を算出する。本処理は、バックオフ時間規定（Ｔ_{ＢＯ＿Ｒｅｑ}）を満たすための（Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}）を算出するものである。なお、ＲＡＣＨ数＝Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}設定時の成功確率ｐ，送信確率τを成功確率ｐ_Ｒｅｑ，送信確率τ_Ｒｅｑとする。まず、現ＲＡＣＨスロット数（￣Ｎ_ＨＰ）下での成功確率ｐ，送信確率τ（成功確率ｐ_０，送信確率τ_０とする）を、上記［１］で記載した手順に従って算出する。バックオフ時間規定は、数式（６）より、次式（１３）、（１４）のように表される。

ここで、ＲＡトラヒックが一定下では、送信確率τとＲＡＣＨ数Ｎとが反比例することから、次式（１５）と表される。

数式（１３）から（１５）より、次式（１６）が得られる。

ＲＡＣＨ数Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}のみが未知数であり、数式（１６）の数値解析から、ＭＡＣフレーム当たりのＲＡＣＨ数Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}を算出する。

［３］ＱｏＳ規定によるＲＡＣＨ数の制御
上記［１］で説明した手法を用いて、平均アクセス時間／平均データ伝送時間を算出し、予め定められたアクセス時間又はデータ伝送時間により設定されたＱｏＳ規定を満たすように、優先クラスのランダムアクセス領域長（ＲＡＣＨ数）を制御する。

図３は、本実施形態による、基地局装置３０で実施するＱｏＳ規定を満たすＲＡＣＨ数決定処理を説明するためのフローチャートである。該フローチャートは、複数のフレーム毎に基地局装置４０で実施される。

基地局装置３０は、制御対象クラスに対して、まず、現ＲＡＣＨスロット数（￣Ｎ_ＨＰ）下での成功確率ｐ，送信確率τ（成功確率ｐ_０，送信確率τ_０とする）を、上記［１］「平均アクセス時間及び平均データ伝送時間の算出」で説明した手順に従って算出する（ステップＳ１）。次に、制御対象クラスのＲＡＣＨ数をパラメータ（Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}）とし、該パラメータを最小値から最大値の範囲で変動させて、後述するステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す（ステップＳ２）。このとき、各ＲＡＣＨ数Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}値に対して、トラヒック同一という条件下で、数式（１４）、（１５）を用いて、成功確率ｐ_Ｒｅｑ，送信確率τ_Ｒｅｑを算出する。

そして、これらの値を用いて、上記［１］「平均アクセス時間及び平均データ伝送時間の算出」で説明した手法により、平均アクセス時間／平均データ伝送時間を算出し、該平均アクセス時間／平均データ伝送時間から、制御クラスの割当状況を反映させたフレームを構成し（ステップＳ３）、規定フレーム長（Ｌ）をオーバーするかどうかを判定する（ステップＳ４）。具体的には、算出した平均アクセス時間／平均データ伝送時間からＲＡＣＨ数を算出し、算出したＲＡＣＨ数を割り当てた無線フレームを構成して、規定フレーム長を満たすか否かを判定する。
また、同一フレームで複数のクラスのＲＡＣＨ数を制御する場合、優先度の高いクラスから順に、図示のフローチャートを実施する。そして、既にＲＡＣＨ数を決定したクラスに対しては、その割当状況をフレーム生成に反映させる。

そして、生成したフレームが規定フレーム長をオーバーする場合（ステップＳ４のＹＥＳ）には、そのＲＡＣＨ数を割り当てることができないので、時間算出を行わない。一方、生成したフレームが規定フレーム長をオーバーしない場合（ステップＳ４のＮＯ）には、時間算出し、ＲＡＣＨ数Ｎ_ＨＰとｆ（Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}）＝規定時間−時間算出値（≧０）を記憶する（ステップＳ５）。最小値から最大値の範囲でとりうるＲＡＣＨ数に対して、上記算出処理を実施した後、ｆ（Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}）の最小値argmin｛ｆ（Ｎ_{ＨＰ＿Ｒｅｑ}）｝に対応するＲＡＣＨ数を読み出し、制御クラスのＲＡＣＨ数に決定する（ステップＳ６）。該制御クラスに対しては、次の当該フローチャートの起動フレームまで、該ＲＡＣＨ数を毎フレーム割り当てる。

［４］無線端末４０を新たに収容できるかの判定
制御対象クラスの無線端末４０を新たに収容できるかどうかを判定する受付制御により、ＱｏＳ規定の提供が可能かどうかを判定する。新規の無線端末４０を含めたトラヒックパラメータ値を再計算し、そのパラメータ値でＱｏＳ規定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の判定を行う。

図４は、本実施形態による、トラヒック受付判定処理を説明するためのフローチャートである。本実施形態は、下りリンクＤＬと上りリンクＵＬとの境界が固定である場合、あるいは、上りリンクＵＬ、下りリンクＤＬの占有時間の上限値が規定されている場合に適用可能である。新規の無線端末の受付判定を行う際、制御クラスの後述するトラヒックパラメータ値を更新する（ステップＳ１０）。ここで、更新前のパラメータ値を、通信端末数（ｎ）、データの平均サイズ（Ｄ）、データの平均発生間隔（Ｉ）とする。そして、新規の無線端末がデータの平均サイズＤ’、データの平均発生間隔Ｉ’とする。更新後のパラメータ値は、通信端末数：ｎ＋１、データの平均サイズ：（ｎ×Ｄ＋Ｄ’）／（ｎ＋１）（平均ＵＤＣＨ長に影響）、ユーザデータの平均発生間隔：（ｎ×Ｉ＋Ｉ’）／（ｎ＋１）（平均データ伝送時間に影響）で算出される。なお、制御クラスのデータの平均サイズ（Ｄ）と、データの平均発生間隔（Ｉ）とは、基地局装置３０において測定された値を用いる。また、新たに収容する無線端末４０のデータの平均サイズ（Ｄ’）と、データの平均発生間隔（Ｉ’）とは、当該端末装置４０から通知された値、又は、当該端末装置４０が属する制御対象クラスの平均値を用いる。

上記［１］「平均アクセス時間及び平均データ伝送時間の算出」に説明した手法を更新パラメータ値に用い、制御クラスのＵＬ割当状況（ＵＤＣＨ数、ＲＡＣＨ数、ＬＣＣＨ数）を算出し、当該クラス以外のＵＬ割当状況も反映させたＵＬ長を生成する（ステップＳ１１）。そして、上限ＵＬ長との比較を行い（ステップＳ１２）、上限値以下であれば、受付を許可し（ステップＳ１３）、上限値を越える場合には、受付を拒否する（ステップＳ１４）。

［５］ 上記［２］バックオフ時間によるＲＡＣＨ数の制御と、上記［４］無線端末４０を新たに収容できるかの判定とを併用するか、或いは、上記［３］「ＱｏＳ既定によるＲＡＣＨ数の制御」と、上記［４］無線端末４０を新たに収容できるかの判定とを併用する。

上述した本発明のポイントは、以下の通りである。
（ａ）ランダムアクセス状況を測定し、ランダムアクセス特性を算出する。
（ｂ）アクセス時間／データ伝送時間の遅延規定を満たすランダムアクセス特性となるようなランダムアクセス数を算出する。
（ｃ）アクセス時間／データ伝送時間解析に基づいてＱｏＳクラスの受付制御を実施する。
（ｄ）上記ｂとｃを併用することで、アクセス時間／データ伝送時間をＱｏＳの指標としたサービスクラスを提供可能である。
（ｅ）本発明では、基地局装置のみの変更で実現可能である。

上述した実施形態によれば、優先クラスのランダムアクセス状況を測定し、ランダムアクセス特性を算出し、ＱｏＳ規定を満たすランダムアクセス特性となるような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ることができ、アクセス時間／データ伝送時間を保証することができる。また、ＱｏＳ規定をもつサービスクラスの受付制御を実施することで、ＱｏＳ規定を満たせない無線端末を収容しないことで、帯域利用効率を向上させることができる。

１０ サーバ
２０ 有線ネットワーク
３０ 基地局装置
４０ 無線端末

Claims (8)

1. 無線回線によりデータの送受信を行う無線基地局装置と複数の無線端末との間における無線通信方法であって、
   前記無線基地局装置が、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領域、残りの帯域をランダムアクセス領域とし、異なるＱｏＳ規定が設定されている複数の制御対象クラスそれぞれに該ランダムアクセス領域の異なる領域を割り当てる際に、前記制御対象クラスごとに、測定される平均無線端末数、無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、平均ランダムアクセス成功率、及び平均バックオフ時間からランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とを算出し、算出したランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて各制御対象クラスに設定されている前記ＱｏＳ規定を満たすランダムアクセスチャネル数を割り当てる第１のステップを有し、
   前記ＱｏＳ規定は、アクセス時間の上限である平均アクセス時間規定、又はデータ伝送時間の上限である平均データ伝送時間規定により定められている
   ことを特徴とする無線通信方法。
2. 前記第１のステップは、
   前記平均アクセス時間規定又は前記平均データ伝送時間規定とからバックオフ時間規定を算出し、前記ランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、前記ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて、算出したバックオフ時間規定を満たすランダムアクセスチャネル数を前記制御対象クラスごとに割り当てる第２のステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
3. 前記第１のステップは、
   前記制御対象クラスごとに、前記平均無線端末数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間と、ランダムアクセスチャネル数が取り得る値それぞれとから平均アクセス時間又は平均データ伝送時間を算出して、算出した平均アクセス時間又は平均データ伝送時間に基づくランダムアクセスチャネル数を該制御対象クラスに割り当てた無線フレームを構成する第３のステップと、
   前記制御対象クラスごとに、前記第３のステップにおいて構成された無線フレームのうち、フレーム長が予め定められた規定フレーム長を満たし、かつ、対応する平均アクセス時間又は平均データ伝送時間と、前記ＱｏＳを定めているアクセス時間の上限又はデータ伝送時間の上限との差が最も小さい無線フレームに対応するランダムアクセスチャネル数を割り当てる第４のステップと
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の無線通信方法。
4. 前記基地局装置が、新たに無線端末を収容する際に、前記無線端末における送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記無線端末が属する制御対象クラスにおける送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔とから前記無線端末を収容した際のデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔を算出し、算出したデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記平均無線端末数、前記無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間とから前記ＱｏＳを満たすランダムアクセスチャネル数を算出し、算出したランダムアクセスチャネル数により無線フレームを構成する第５のステップと、
   前記第５のステップにおいて構成された無線フレームが前記規定フレーム長以下の場合、前記無線端末を新たに収容し、該無線フレームが前記規定フレーム長より長い場合、前記無線端末を新たに収容しない第６のステップと
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無線通信方法。
5. 無線回線により複数の無線端末とデータの送受信を行う無線基地局装置であって、
   前記無線基地局装置は、
   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領域、残りの帯域をランダムアクセス領域とし、異なるＱｏＳ規定が設定されている複数の制御対象クラスそれぞれに該ランダムアクセス領域の異なる領域を割り当てる際に、前記制御対象クラスごとに、測定される平均無線端末数、無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、平均ランダムアクセス成功率、及び平均バックオフ時間からランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とを算出し、算出したランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて各制御対象クラスに設定されている前記ＱｏＳ規定を満たすランダムアクセスチャネル数を割り当てる第１の手段を備え、
   前記ＱｏＳ規定は、アクセス時間の上限である平均アクセス時間規定、又はデータ伝送時間の上限である平均データ伝送時間規定により定められている
   ことを特徴とする基地局装置。
6. 前記第１の手段は、
   前記平均アクセス時間規定又は前記平均データ伝送時間規定とからバックオフ時間規定を算出し、前記ランダムアクセスチャネル送信時の成功確率と、前記ランダムアクセスチャネルの送信確率とに基づいて、算出したバックオフ時間規定を満たすランダムアクセスチャネル数を前記制御対象クラスごとに割り当てる第２の手段と
   を有することを特徴とする請求項５に記載の基地局装置。
7. 前記第１の手段は、
   前記制御対象クラスごとに、前記平均無線端末数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間と、ランダムアクセスチャネル数が取り得る値それぞれとから平均アクセス時間又は平均データ伝送時間を算出して、算出した平均アクセス時間又は平均データ伝送時間に基づくランダムアクセスチャネル数を該制御対象クラスに割り当てた無線フレームを構成する第３の手段と、
   前記制御対象クラスごとに、前記第３の手段により構成された無線フレームのうち、フレーム長が予め定められた規定フレーム長を満たし、かつ、対応する平均アクセス時間又は平均データ伝送時間と、前記ＱｏＳを定めているアクセス時間の上限又はデータ伝送時間の上限との差が最も小さい無線フレームに対応するランダムアクセスチャネル数を割り当てる第４の手段と
   を有することを特徴等する請求項５に記載の基地局装置。
8. 前記基地局装置は、新たに無線端末を収容する際に、前記無線端末における送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記無線端末が属する制御対象クラスにおける送信するデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔とから前記無線端末を収容した際のデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔を算出し、算出したデータの平均サイズ及びデータの平均発生間隔と、前記平均無線端末数、前記無線フレーム当たりの平均ランダムアクセスチャネル数、前記平均ランダムアクセス成功率、及び前記平均バックオフ時間とから前記ＱｏＳを満たすランダムアクセスチャネル数を算出し、算出したランダムアクセスチャネル数により無線フレームを構成する第５の手段と、
   前記第５の手段により構成された無線フレームが前記規定フレーム長以下の場合、前記無線端末を新たに収容し、該無線フレームが前記規定フレーム長より長い場合、前記無線端末を新たに収容しない第６の手段と
   を備えることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の基地局装置。

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