JP5371112B2 - 無線トラヒックの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線トラヒックの制御装置に係り、特に、品質の低下した無線通信に有限の無線リソースが無駄に占有されてしまうことを防止する無線トラヒックの制御装置に関する。

通信帯域がUplinkとDownlinkとで非対称となる通信端末において、UDPに代表されるコネクションレス型のプロトコルを採用した場合、送信端末側が一方的にパケットを送出することによって必要以上に帯域が独占される。特許文献１では、通信端末から発生し、通信ネットワークで処理するトラヒックを通信ネットワーク側で制御可能とすると共に、トラヒックを発生するアプリケーション毎のQoS保証を制御可能とする技術が開示されている。

また、特許文献２には、無線LANに接続した状態で無線環境の劣化や無線区間の混雑などが原因で通信品質が低下した無線端末、あるいは通信を休止した無線端末を、上位通信レイヤを保持したまま無線リンクを開放するドーマント状態へ一時的に移行させ、その後、送信データが発生した時にドーマント状態から復帰させることによって、アクセスポイント装置に接続できる無線端末の数を増加させる無線ＬＡＮシステムが開示されている。

特開2007-053465号公報 特開2009-088955号公報

特許文献１では、トラヒックを発生するアプリケーション毎のQoSは保証するがネットワークの輻輳時にはアプリケーション毎の通信保留時間が長くなることにより、ネットワークを介した論理リンクの占有時間が長くなる。特に、回線交換型通信では他のアプリケーション／ユーザの通信機会に損失を生じさせてしまう。

特許文献２では、無線環境の劣化や無線区間の混雑により通信品質が低下してドーマント状態へ移行した無線端末の当該ドーマント状態からの復帰が、当該無線端末における送信データの発生を契機に行われる。しかしながら、送信データの発生タイミングにおいて無線品質が改善されているとは限らないので、再接続後も依然として劣化している無線環境や混雑している無線区間での通信を余儀なくされ、品質の低下した無線通信に無線リソースが無駄に占有されてしまうという技術課題があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、無線環境の劣化や無線区間の混雑により品質の低下した無線通信に有限の無線リソースが無駄に占有されてしまうことを防止できる無線トラヒックの制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、後位端末と無線基地局との無線通信を制御する無線トラヒックの制御装置において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。

(1)無線通信の品質を検知する手段と、無線通信の品質が低下すると当該無線通信を遮断して無線リソースを解放する手段と、無線通信の品質に基づいて前記無線通信の遮断期間を設定する手段と、無線通信の遮断経過時間が前記遮断期間を経過するのを待って前記無線通信を再接続する手段とを具備した。

(2)無線通信を遮断する手段は、通信の品質が低下すると、上位通信レイヤを保持したまま無線リンクを開放するドーマント状態へ遷移し、上位レイヤ間の論理接続を維持したまま無線レイヤの物理接続を切断するようにした。

(3)遮断期間中に上位レイヤがタイムアウトすることを回避するために、上位レイヤがタイムアウトする直前のタイミングごとに、ドーマント状態から一時的に復帰して無線レイヤの物理接続を一時的に接続し、無線通信を一時的に再開させるようにした。

(4)遮断期間中に上位レイヤがタイムアウトすることを回避するために、送受信データを一時記憶するバッファを具備し、上位レイヤがタイムアウトする直前のタイミングごとに、受信バッファのデータを後位端末の上位レイヤへ転送し、当該上位レイヤから転送されるデータを送信バッファへ蓄積することで無線通信を一時的に模擬するようにした。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。

(1)無線環境の劣化や無線区間の混雑により無線通信の品質が低下すると、この品質低下が解消すると推定されるタイミングまでが無線通信の遮断期間ΔTとして設定され、この遮断期間ΔTが経過するまでは無線通信が遮断されて無線リソースが解放され、その後、品質低下が解消すると推定されるタイミングで無線通信が自動的に再開されるので、通信品質の低下した無線通信に有限の無線リソースが無駄に占有されてしまうことを防止できる。

(2)無線通信を遮断する際にドーマント状態へ遷移し、上位レイヤ同士の論理接続は維持したまま無線レイヤの物理接続のみが切断されるので、遮断期間ΔTが経過したときには、無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。

(3)遮断期間ΔTの最中に、上位レイヤがタイムアウトするよりも前のタイミングでドーマント状態から一時的に復帰し、無線通信を一時的に再開させてタイムアウトがリセットされるようにしたので、遮断期間ΔTが上位レイヤのタイムアウト時間よりも長く設定されている場合でも、遮断期間ΔTの経過後は無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。

(4)遮断期間ΔTの最中に、上位レイヤがタイムアウトするよりも前のタイミングで、受信バッファに予め蓄積したデータや送信バッファの空き容量を利用して無線通信を模擬し、タイムアウトがリセットされるようにしたので、遮断期間ΔTが上位レイヤのタイムアウト時間よりも長く設定されている場合でも、遮断期間ΔTの経過後は無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。

本発明が適用される無線ネットワークの構成を示したブロック図である。 本発明の一実施形態に係る無線通信モデムのブロック図である。 本発明によるトラヒック制御動作の概要を示したフローチャートである。 無線レイヤの切断およびその再接続に関するオプションAのフローチャートである。 無線レイヤの切断およびその再接続に関するオプションBのフローチャートである。 無線レイヤの切断およびその再接続に関するオプションCのフローチャートである。 無線レイヤの切断およびその再接続に関するオプションDのフローチャートである。 遮断期間ΔTの決定方法の一例を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用される無線ネットワークの構成を示したブロック図であり、パーソナルコンピュータ、PDAあるいはソフトフォンなどの無線端末１と、この無線端末１に装着あるいは内蔵される無線通信モデム２と、無線通信モデム２との間に無線リンクを確立する無線基地局３とを含み、無線端末１は、無線通信モデム２、無線基地局３およびインターネット等の通信網４を経由して対向ピア５と通信する。なお、前記無線端末１は網側から見て無線通信モデム２の後段に接続されるので、これ以降は後位端末１と表現することもある。

図２は、前記無線通信モデム２の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、ここでは本発明の説明に不要な構成は図示が省略されている。

モデム機能部２０１は、後位端末１から送信要求されたデータを符号化し、無線信号に変換して無線基地局３へ送信する一方、無線基地局３から受信した無線信号を復号して後位端末へ転送する。無線品質検知部２０２は、無線区間の通信品質を検知する。無線通信遮断部２０３は、無線レイヤの物理接続WLを切断する物理接続切断部２０３ａ、ならびに後位端末１および対向ピア５の上位レイヤ（PPP以上）同士の通信セッション（論理接続）LLを切断する論理接続切断部２０３ｂを含み、前記無線品質検知部２０２により、無線環境の劣化や無線区間の混雑による無線通信の品質低下が検知されると、前記物理接続切断部２０３ａおよび論理接続切断部２０３ｂに指示して無線レイヤの物理接続WLを切断させ、さらに必要に応じて上位レイヤの論理接続LLも切断させる。

遮断期間決定部２０４は、前記無線品質検知部２０２により検知された無線通信の品質に基づいて、前記無線通信遮断部２０３に無線通信を遮断させる遮断期間ΔTを決定する。無線通信再接続部２０５は、前記無線通信遮断部２０３により遮断された無線通信を、前記遮断期間ΔTの経過を待って再接続する。前記無線通信遮断部２０３および無線通信再接続部２０５にはドーマント制御を採用できる。

次いで、フローチャートを参照して本実施形態の動作を詳細に説明する。ここでは、初めに図３のフローチャートを参照して無線トラヒック制御の動作の概要について説明し、次いで、各動作の詳細について説明する。

ステップＳ１では、前記無線品質検知部２０２により、無線通信モデム２と無線基地局３との間の無線区間の通信品質が検知される。本実施形態では、上下双方向のスループットに加えて、ジッタ、RTT (Round Trip Time)あるいはパケットロスなどが無線品質を代表する指標として適宜に検知される。ステップＳ２では、前記指標の検知結果が所定の閾値と比較され、閾値よりも劣っている指標があれば、無線品質が低下していると判定されてステップＳ３へ進む。

なお、このように無線品質を代表できる指標を検知して閾値と比較する代わりに、前記ステップＳ１において、無線基地局３や対向ピア５から通信品質に関して通知されるリポート(Received Report)や、後位端末１との通信が無線基地局３の無線リソースに占める割合（占有率）に関するリポートを受信し、ステップＳ２では、これらのリポートを参照して無線品質を評価するようにしても良い。

あるいは、通信品質の低下によりスループットが低下すると保留時間が長くなるので、前記ステップＳ１において、無線通信の保留時間を前記無線品質検知部２０２により通信品質を代表する指標として計測し、ステップＳ２では、この保留時間の平均値、最大値あるいは累積値等を所定の閾値と比較し、保留時間が閾値を超えたときに通信品質が低下したものと評価するようにしても良い。

ステップＳ３では、前記無線区間の通信を遮断して無線基地局３の無線リソースを解放する遮断処理が前記無線通信遮断部２０３により実行される。ステップＳ４では、前記無線通信の遮断を維持する遮断期間ΔTが前記遮断期間決定部２０４により決定される。図８は、前記遮断期間ΔTの決定方法の一例を示した図であり、本実施形態では、前記ステップＳ１で検知された無線品質が低いほど遮断期間ΔTが長くなるような関数あるいはマップを用いて遮断期間ΔTが決定される。

ステップＳ５では、前記遮断期間ΔTが後位端末１へ通知される。これにより、後位端末１は無線通信が行われない期間を把握できるので、当該期間だけ無線通信の機能をスリープ状態等にすることで消費電力を低減できるようになる。ステップＳ６では、後述する待機処理が実行され、前記遮断期間ΔTの満了を待ってステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、前記遮断された無線通信が前記無線通信再接続部２０５により再接続される。

本発明では、前記無線リンクの切断およびその再接続に関して、以下のような４つのオプションA，B，C，Dが用意されている。

A：無線通信モデム２が、無線レイヤの物理接続を切断して後位端末（本実施形態では、通信端末１）から無線区間への送出パケットを遮断する。例えば、CDMA等であればRLP(無線リンクプロトコル)を切断するシーケンスを実行する。

B：その際、無線通信モデム２がドーマント方式を採用していれば、後位端末１および対向ピア５の上位プロトコル(例えばPPP)同士の論理的な接続を維持するために、無線通信モデム２が自律的にドーマント状態へ移行する。

C：無線通信モデム２がドーマント状態へ移行した場合、上位レイヤの通信は論理的には疎通しているが物理的には網と切断されているので通信できない。従って、上位レイヤのプロトコルは所定のタイムアウト時間で切断される。これを防ぐために、オプションCではタイムアウト時間の直前ごとにドーマント状態から一時的に復帰して無線レイヤの物理接続を確立し、タイムアウトをリセットする。

D：上記のオプションCにおけるドーマント状態からの一時的な復帰に代えて、予め受信データを受信バッファに蓄積しておき、タイムアウト時間の直前ごとに受信バッファのデータを利用して無線通信を模擬することでタイムアウトをリセットする。

図４は、前記オプションAに固有の動作を示したフローチャートであり、前記ステップＳ３の遮断処理では、同図(a)に示したように、ステップＳ１０１において無線レイヤの物理接続WLが切断され、これに伴って上位レイヤ同士の論理接続LLも切断される。

前記ステップＳ６の待機処理では、同図(b)に示したように、ステップＳ１０２において、無線レイヤの物理接続が切断されてからの経過時間Txが計測される。ステップＳ１０３では、前記切断経過時間Txと遮断期間ΔTとが比較され、遮断期間ΔTの満了を待って前記ステップＳ７へ進む。

前記ステップＳ７の再接続処理では、同図(c)に示したように、ステップＳ１０４において、前記切断された無線レイヤの物理接続が再確立され、同時にデータリンク層以上の接続も確立される。

このオプションAによれば、無線通信の品質が低下すると、この品質低下が解消すると推定されるタイミングまでが遮断期間ΔTとして設定され、遮断期間ΔTが経過するまでは無線通信が遮断されて無線リソースが解放され、その後、無線通信が自動的に再開されるので、品質の低下した無線通信に有限の無線リソースが無駄に占有されてしまうことを防止できる。また、後位端末１や対向ピア５がレジューム機能を備えていれば、無線通信を遮断時の状態から再開できるようになる。

図５は、前記オプションBに固有の動作を示したフローチャートであり、前記ステップＳ３の遮断処理では、同図(a)に示したように、ステップＳ２０１において、ドーマント方式によりデータリンク層以上の論理接続を維持したまま無線レイヤの物理接続のみが切断される。

ステップＳ６の待機処理では、同図(b)に示したように、ステップＳ２０２において、無線レイヤの物理接続が切断されてからの経過時間Txが計測される。ステップＳ２０３では、前記切断経過時間Txと遮断期間ΔTとが比較され、遮断期間ΔTの満了を待って前記ステップＳ７へ進む。

前記ステップＳ７の再接続処理では、同図(c)に示したように、ステップＳ２０４において、データリンク層が維持されているか否かが判定される。データリンク層は、例えばTCPタイムアウトにより切断され、このTCPタイムアウト前であってデータリンク層が維持されていればステップＳ２０５へ進む。ステップＳ２０５では、前記切断された無線レイヤの物理接続が再確立され、前記維持されている上位レイヤと連結される。これに対して、データリンク層が既に切断されていればステップＳ２０６へ進み、前記オプションAの場合と同様に、前記切断された無線レイヤの物理接続が再確立され、同時にデータリンク層以上の論理接続も確立される。

このオプションBによれば、無線通信を遮断する際にドーマント状態へ遷移し、上位レイヤの論理接続は維持したまま無線レイヤの物理接続のみが切断されるので、遮断期間ΔTが経過したときには、無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。また、後位端末１や対向ピア５がレジューム機能を備えていれば、無線通信を遮断時の状態から再開できるようになる。

図６は、前記オプションCに固有の動作を示したフローチャートであり、前記ステップＳ３の遮断処理では、同図(a)に示したように、ステップＳ３０１において、ドーマント方式によりデータリンク層以上の論理接続LLを維持したまま無線レイヤの物理接続WLのみが切断される。

前記ステップＳ６の待機処理では、同図(b)に示したように、ステップＳ３０２において、無線レイヤの物理接続が切断されてからの経過時間Txが計測される。ステップＳ３０３では、前記切断経過時間Txと遮断期間ΔTとが比較され、遮断期間ΔTの満了前であればステップＳ３０４へ進み、TCPタイムアウトの直前のタイミングであるか否かが判定される。TCPタイムアウトの直前でなければステップＳ３０２へ戻る。

その後、ステップＳ３０４においてTCPタイムアウトの直前と判定されるとステップＳ３０５へ進む。ステップＳ３０５では、ドーマント状態から一時的に復帰し、前記切断された無線レイヤの物理接続が一時的に再確立され、前記維持されている上位レイヤと連結される。この結果、無線通信が再開されるので、TCPタイムアウトのタイマがリセットされる。ステップＳ３０６では、再びドーマント状態へ遷移し、データリンク層以上の論理接続を維持したまま無線レイヤの物理接続のみが切断される。以上の処理は、前記ステップＳ３０３において、遮断期間ΔTが満了したと判定されるまで繰り返される。

前記ステップＳ７の再接続処理では、同図(c)に示したように、ステップＳ３０７において、前記切断された無線レイヤの物理接続WLが再確立され、前記論理接続LLを維持されている上位レイヤと連結される。

このオプションCによれば、遮断期間ΔTの最中に上位レイヤがタイムアウトするよりも前のタイミングでドーマント状態から一時的に復帰し、無線通信を一時的に再開させてタイムアウトがリセットされるので、遮断期間ΔTが上位レイヤのタイムアウト時間よりも長く設定されている場合でも、遮断期間ΔTの経過後は無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。

図７は、前記オプションDに固有の動作を示したフローチャートであり、前記ステップＳ３の遮断処理では、同図(a)に示したように、ステップＳ４０１において、所定量の受信データが受信バッファに一時記憶される。ステップＳ４０２ではドーマント状態へ遷移し、これによりデータリンク層以上の接続を維持したまま無線レイヤの物理接続が切断される。

前記ステップＳ６の待機処理では、同図(b)に示したように、ステップＳ４０３において、無線レイヤの物理接続が切断されてからの経過時間Txが計測される。ステップＳ４０４では、前記切断経過時間Txと遮断期間ΔTとが比較され、遮断期間ΔTの満了前であればステップＳ４０５へ進み、TCPタイムアウトの直前のタイミングであるか否かが判定される。TCPタイムアウトの直前でなければステップＳ４０３へ戻る。

その後、ステップＳ４０５においてTCPタイムアウトの直前と判定されるとステップＳ４０６へ進み、受信バッファに受信データが残っているか否かが判定される。受信データが残っていれば、ステップＳ４０７へ進んで無線通信が模擬される。すなわち、受信バッファに一時記憶されている受信データが後位端末１の上位レイヤへ転送され、当該上位レイヤから無線区間へ転送されるデータが送信バッファに蓄積される。上記の処理は、前記ステップＳ４０４において遮断期間ΔTの満了が検知されるまで継続されるが、その前に前記受信バッファのデータが枯渇するとステップＳ４０３へ戻るので、TCPがタイムアウトしてデータリンク層の接続も遮断されることになる。

前記ステップＳ７の再接続処理では、同図(c)に示したように、ステップＳ４０８において、データリンク層が論理接続を維持されているか否かが判定される。TCPタイムアウト前であってデータリンク層が維持されていればステップＳ４０９へ進む。ステップＳ４０９では、前記切断された無線レイヤの物理接続が再確立され、前記維持されている上位レイヤと連結される。これに対して、データリンク層が維持されていなければステップＳ４１０へ進み、前記切断された無線レイヤの物理接続が再確立され、同時にデータリンク層以上の接続も再確立される。

このオプションDによれば、遮断期間ΔTの最中に上位レイヤがタイムアウトするよりも前のタイミングでタイムアウトがリセットされるので、遮断期間ΔTが上位レイヤのタイムアウト時間よりも長く設定されている場合でも、遮断期間ΔTの経過後は無線レイヤの物理接続を再確立するだけで無線通信を再開できるようになる。また、後位端末１や対向ピア５がレジューム機能を備えていれば、上位レイヤのタイムアウトを避けられなかった場合でも無線通信を遮断時の状態から再開できるようになる。

なお、上記の実施形態では前記遮断期間ΔTが直前の無線品質のみに基づいて決定されるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、通信品質低下の回数に基づくバックオフ処理により決定しても良い。この場合、遮断期間ΔTを決定するアルゴリズム内にバックオフの基数nを設け、初回はn=0であるが通信品質の低下により遮断が実行されるごとにnがインクリメントされるようにし、遮断期間はΔT=2^n+r（rは乱数)として決定されるよういすれば良い。なお、遮断から復帰した際の通信品質が、例えば高スループットの状態が所定の期間以上継続するなど、特に優れている場合には、前記nをゼロに初期化するようにしても良い。

また、上記の実施形態では、通信品質の低下をトリガとして無線レイヤの物理接続が強制的に切断されるものとして説明したが、特に無線区間の混雑による無線通信の品質低下を未然に防止するために、送受信データの総量が所定の上限値を超えると、無線レイヤの物理接続を通信品質とは無関係に予防的に遮断するオプションを追加しても良い。

１…無線端末（後位端末），２…無線通信モデム，３…無線基地局，４…通信網，５…対向ピア，２０１…モデム機能部，２０２…無線品質検知部，２０３…無線通信遮断部，２０４…遮断期間決定部，２０５…無線通信再接続部

Claims (7)

1. 無線端末と無線基地局との無線通信を制御する無線トラヒックの制御装置において、
   無線通信の品質を検知する手段と、
   無線通信の品質が低下するとドーマント状態へ遷移し、上位レイヤ同士の論理接続を維持したまま無線レイヤの物理接続のみを切断して無線リソースを解放する手段と、
   無線通信の品質に基づいて前記無線通信の遮断期間を設定する手段と、
   無線通信の遮断経過時間が前記遮断期間を経過するのを待って前記無線通信を再接続する手段と、
   無通信の状態が継続して上位レイヤがタイムアウトする直前のタイミングを検知する手段と、
   前記上位レイヤがタイムアウトする直前のタイミングごとに当該タイムアウトを回避する手段とを具備し、
   前記タイムアウトを回避する手段は、送受信データを一時記憶するバッファを具備し、前記上位レイヤがタイムアウトする直前のタイミングごとに、受信バッファのデータを無線端末の上位レイヤへ転送し、当該上位レイヤから転送されるデータを送信バッファへ蓄積することで無線通信を一時的に模擬することを特徴とする無線トラヒックの制御装置。
2. 前記遮断期間を設定する手段は、無線品質が低いほど遮断期間を長く設定することを特徴とする請求項１に記載の無線トラヒックの制御装置。
3. 前記遮断期間を設定する手段は、無線品質の低下による無線通信の遮断回数を計数し、当該遮断回数が多くなるほど遮断期間を長く設定することを特徴とする請求項１に記載の無線トラヒックの制御装置。
4. 前記無線通信の遮断期間を無線端末へ通知する手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線トラヒックの制御装置。
5. 前記無線通信の品質を検知する手段は、上下双方向のスループット、ジッタ、RTT、パケットロス、および保留時間の少なくとも一つに基づいて無線品質を検知することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の無線トラヒックの制御装置。
6. 前記無線通信の品質を検知する手段は、無線品質に関するリポートを受信し、当該リポートに基づいて無線品質を検知することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の無線トラヒックの制御装置。
7. 送受信データの総量が所定の上限値を超えると無線通信を遮断して無線リソースを解放する手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の無線トラヒックの制御装置。

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