JP5441178B2

JP5441178B2 - コグニティブ無線通信システム及びコグニティブ無線通信中継装置

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Publication number: JP5441178B2
Application number: JP2010187605A
Authority: JP
Inventors: 健太郎石津; 博司原田
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-08-24
Also published as: JP2012049643A

Description

本発明は、異種の無線アクセスネットワークと動的に接続を切り換えながら通信するコグニティブ無線通信システム、特にそのシステムで用いられるコグニティブ無線通信中継装置に関するものである。

周波数資源の有効利用を図りながら高速な通信を実現する方法として、コグニティブ無線通信方法が研究されている。最初期には特許文献１に示されるように、テレビジョン放送帯域の周波数チャネルの中から、現在地で使用されていない周波数チャネルを判定し、テレビジョン放送に干渉しないように共用する無線機が提案されている。

ところで、コグニティブ無線は、大きく２種に分類することができる。１つはヘテロジニアス型のアプローチである。（非特許文献１参照。）
ヘテロジニアス型とは、複数の無線システムが混在する環境において、コグニティブ無線機がその場所に存在する無線システムについてセンシングを行い、その場で利用できる無線システムのうち最適なものを選択したり、複数を組み合わせて使用するものこともできる。

もう１つは、周波数共用型のアプローチである。周波数共用型とは、コグニティブ無線機がセンシングを行った結果、その場所で使用されていない周波数帯を特定し、その周波数帯を自分の利用したい無線方式・ＭＡＣプロトコルなどを組み合わせて利用するものである。この手法の導入には、すでに周波数帯の割り当てが用途毎に緻密に決められていることや、衛星からの電波など微弱な電波への影響を排除できるか、など社会的、技術的な困難も多い。

本件発明者らは、コグニティブ無線技術を利用したアーキテクチャとしてコグニティブ無線クラウドを提案している。（非特許文献３、４参照）本アーキテクチャは、標準化団体IEEE P1900.4においても多くの部分が標準化されている。（非特許文献５参照）

これらのコグニティブ無線通信システムを前提として、例えば特許文献２〜４等の発明がある。
特許文献２では、リンクアグリゲーションを実現するためのデータ集約装置を、通信アプリケーションを実行する通信アプリケーション実行装置と分離して設けることが提案されている。本発明は、アプリケーション側に変更を要さずにリンクアグリゲーションを実現できるように、ユーザ端末内にデータ集約装置を実装している。

特許文献３では、特許文献２のデータ集約装置を発展させて、端末装置と外部ネットワークとの接続を確立する通信接続装置が提案されている。
特許文献４では、外部ネットワークと内部ネットワークとを中継するための通信中継装置に、特許文献３の構成を実装し、さらにモバイル環境で使用できる装置として提案されている。

これらの技術によれば、コグニティブ無線通信システムにおいてリンクアグリゲーションを良好に実現することができるが、特許文献２の技術では従来の通信端末を含めた改変が必要である。また、特許文献３，４の技術では、通信を中継することで通信端末は既存のものを用いることができるが、サーバ側はリンクアグリゲーションに対応する必要があった。

特許３５８３９６２号特許公開特許公開２０１０−０３４７３８号公報特許公開特許公開２０１０−１８３３７５号公報特許公開特許公開２０１０−１８３３７６号公報

石津健太郎,村上誉,宮本剛,フィリンスタニスラブ,チャンハグエン,スンチェン,アレムスグドヨハネス,原田博司,"［技術展示］ヘテロジニアス型コグニティブ無線システムの試作,"電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会,Vol.109,No.155,SR2009-29,pp.43-50,2009年7月石津健太郎,村上誉,宮本剛,フィリンスタニスラブ,チャンハグエン,スンチェン,アレムスグドヨハネス,原田博司,"［技術展示］周波数共用型コグニティブ無線基地局の試作,"電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会,Vol.109,No.155,SR2009-30,pp.51-56,2009年7月 H.Harada et al,"A Software Defined Cognitive Radio System: Cognitive Wireless Cloud"IEEE Globecom 2007,2007年11月宮本他、"[技術展示]コグニティブ無線クラウドシステムの開発−自律分散による無線情報収集−、"信学技報、vol.109、no.155、SR2009-24、pp.13-18、2009年7月 IEEE P1900.4, "Architectural Building BlocksEnabling Network-Device Distributed Decision Making for Optimized RadioResource Usage in Heterogeneous Wireless Access Networks,"インターネットＵＲＬ http://grouper.ieee.org/groups/scc41/4/index.htm(2010年8月24日検索） S. Filin, H. Harada, H.Murakami, and K.Ishizu,"Technical overview of the IEEE 1900.4 standard -Architecturalbuilding blocks enabling distributed decision making for optimized radioresource usage in heterogeneous wireless access networks,"CrownCom 2009, 2009年6月. Stanislav Filin, Hiroshi Harada,Homare Murakami,Kentaro Ishizu,and Goh Miyamoto,"IEEE 1900.4 WG on Architecture andEnablers for Optimized Radio & Spectrum Resource Usage,"International Congress on UltraModern Telecommunications and Control Systems,2009年10月. 石津健太郎,村上誉,宮本剛,チャンハグエン,フィリンスタニスラブ,長谷川幹雄,村田嘉利,原田博司,"コグニティブ無線クラウドの実装と理論解析−モバイルリンクアグリゲーションの実装とその課題−,"電子情報通信学会総合大会 B-17-31,2009年3月. 橋口和貴,長谷川幹雄,石津健太郎,宮本剛,村上誉,原田博司,"異種無線マルチリンクアグリゲーションにおけるトラフィック分配比率最適化のための性能解析,"信学会ソフトウェア無線研究会,Vol.109,No.383,SR2009-74,2010年1月. インターネットＵＲＬ：http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/people/marcelo/linux-2.4/Documentation/networking/tuntap.txt ２０１０年８月２４日検索

コグニティブ無線システムでは、複数の無線アクセスネットワークと同時に、随時切り換えながら接続できる点に特徴があるが、このシステムの実現にはネットワーク側及び端末側に専用の設計が必要であった。サーバ及びユーザ端末の構成をすべて変更するためには、機器の更新や標準化が不可欠であり、普及の障害となっている。
本発明は、ユーザ端末には変更を要さず、またユーザが意識することなくコグニティブ無線システムを利用でき、特に高性能なリンクアグリゲーション機能を備えたコグニティブ無線通信中継装置を提案するものである。

上記課題を解決するため次の手段を創出した。
本発明は複数の異種の無線アクセスネットワークを用いるリンクアグリゲーション機能を備えたコグニティブ無線通信システムであって、無線通信端末とコグニティブ無線通信中継装置とが内部ネットワークで接続されると共に、コグニティブ無線通信中継装置と外部ネットワーク上のアグリゲーションサーバ装置とが複数の無線アクセスネットワークによって接続され、アグリゲーションサーバ装置と、無線通信端末の通信先である通信先サーバ装置とが外部ネットワークで接続される。

無線通信端末は、アプリケーションプログラムを実行処理するアプリケーション実行処理手段と、第１アドレス空間を有する内部ネットワークと通信するための内部ネットワークインタフェースとを少なくとも備える。

コグニティブ無線通信中継装置は、内部ネットワークと通信するための内部ネットワークインタフェースと、第１アドレス空間と第２アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段と、第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースである中継装置側仮想インタフェースと、第３アドレス空間に属し、無線アクセスネットワークのそれぞれに接続される複数の無線アクセスネットワークインタフェースと、第３アドレス空間のアドレスを用いて無線アクセスネットワーク毎にアグリゲーションサーバ装置との間のトンネリングを確立し、中継装置側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散すると共に、中継装置側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束するアグリゲーションクライアント処理手段とを少なくとも備える。

アグリゲーションサーバ装置が、第３アドレス空間を有する外部ネットワークに接続される外部ネットワークインタフェースと、第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースであるサーバ側仮想インタフェースと第３アドレス空間のアドレスを用いて無線アクセスネットワーク毎にコグニティブ無線通信中継装置との間のトンネリングを確立し、サーバ側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束すると共に、サーバ側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散するアグリゲーションサーバ処理手段と、第２アドレス空間と第３アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段とを少なくとも備える。
本発明のコグニティブ無線通信システムは以上の各要素からなる。

上記のコグニティブ無線通信中継装置のアドレス変換手段において、無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて、第２のアドレス空間に変換して前記中継装置側仮想インタフェースにルーティングするか、第３のアドレス空間に変換して前記無線アクセスネットワークインタフェースにルーティングするかを選択することもできる。
アプリケーションプログラムの特定には、例えば内部ネットワークインタフェースからの出力の宛先アドレス又は宛先ポート番号の情報を用いることもできる。

上記のアグリゲーションサーバ装置のアドレス変換手段において、無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて、第２のアドレス空間に変換して前記サーバ側仮想インタフェースにルーティングするか、アドレス変換をせずに外部ネットワークインタフェースにルーティングするかを選択することもできる。
アプリケーションプログラムの特定には、例えば通信端末に向けた宛先アドレス又は宛先ポート番号の情報を用いることもできる。

本発明は、コグニティブ無線通信方法を提供することもできる。本方法では、無線通信端末とコグニティブ無線通信中継装置とを第１アドレス空間を有する内部ネットワークで接続し、コグニティブ無線通信中継装置とアグリゲーションサーバ装置とを、複数の物理的な経路上にそれぞれ確立したトンネリングで接続すると共に、各装置には第２アドレス空間に属する仮想インタフェースを設けて、仮想インタフェース間をトンネリングのリンクアグリゲーションを行った経路で接続する。
そして、アグリゲーションサーバ装置が仮想インタフェースと第３アドレス空間を有する外部ネットワークとのルーティングを行うこともできる。

上記のコグニティブ無線通信方法において、無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて、前記仮想インタフェース間の経路にルーティングするか、前記外部ネットワークにルーティングするかを選択する構成でもよい。

本発明は、上記のコグニティブ無線通信システムで用いられるコグニティブ無線通信中継装置として提供することもできる。
また、上記のコグニティブ無線通信システムで用いられるアグリゲーションサーバ装置として提供することもできる。

本発明は、以上の構成を備えることにより、通信端末や外部ネットワークのサーバ装置に変更を要さず、また、ユーザが意識することなくコグニティブ無線システムを利用することができる。本発明のコグニティブ無線通信中継装置は、アグリゲーションサーバ装置とリンクアグリゲーションを実行するだけでなく、通信を行っているアプリケーションの種類や、通信端末によってリンクアグリゲーションを行うか否かを選択することもできる。

本発明に係るコグニティブ無線通信システムの構成図である。本発明に係る通信端末（ＣＴ）の全体構成図である。モバイルリンクアグリゲーション方式の論理トラフィックフローである。本発明に係るルーティング分別処理の説明図である。ＣＷＲ（４０）が通信デバイスを選択する際のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
図１は本発明に係るコグニティブ無線通信システム（１）の構成図である。コグニティブ無線通信システムにおいては、パケットベースのネットワークである上位通信ネットワーク（１０）と、その上位通信ネットワーク（１０）が共通のプラットフォームを提供する複数の無線アクセスネットワーク（２０）（２１）（２２）から通信ネットワークが構成される。そして、無線アクセスネットワークと接続するユーザ通信端末（以下、通信端末）（３０）が、上位通信ネットワーク（１０）に接続する。上位通信ネットワークは、例えばインターネットなどのＩＰネットワークを想定している。

コグニティブ無線通信システムでは、図に例示したように無線ＬＡＮ（２０）や、ＷｉＭＡＸ（２１）、携帯電話網（２２）の他、ＰＨＳやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、周波数や通信方式、料金体系、事業主等の異なる１以上の無線アクセスネットワークに通信端末（３０）が接続先や接続方式を切り替えながら通信を行う。その際、無線の利用状況を認識し、周波数の利用効率の向上を目指す技術である。

これを実現するために利用可能な周波数・無線システムを探し出して最適なシステムに切り替える技術（ヘテロジニアス型）と、利用されていない周波数帯・タイムスロット等を検出し、既存システムに干渉を与えない範囲でそれを使用する技術（周波数共用型）とが用いられる。本発明では主として後者の技術によるコグニティブ無線通信システムシステムを対象とするが、前者のシステムや、両者を組み合わせたシステムに適用してもよい。

各無線アクセスネットワークは、公知のように複数の基地局（ＢＳ）を備えて通信端末（３０）との間で無線通信を行う。無線アクセスネットワークは、例えば上位の無線ＬＡＮ（２０）の下位に図示しない無線ＬＡＮが接続され、階層化されていてもよい。この場合でもＩＰプロトコルで通信可能なＩＰネットワークとすることで、いずれの無線アクセスネットワークに接続する通信端末同士がエンドツーエンドで通信可能である。

本発明で用いる通信端末（３０）は、無線アクセスネットワークに接続機能を有する一般的なパーソナルコンピュータでよく、例えば無線ＬＡＮ（２０）に接続するための無線ＬＡＮインタフェースと携帯電話用モデムなど組み合わせ備えることもできる。

なお、通信端末（３０）に公知のコグニティブ通信端末を用いてもよい。この場合、通信端末（３０）が、自端末の通信状態やユーザの嗜好、ユーザのコンテキストに関する情報に基づいて接続先の無線アクセスネットワーク（２０）〜（２２）を変更したり、周波数を切り替える等の決定、再構成を行うことができる。また、これらの情報は上位通信ネットワーク（１０）と接続されたネットワーク再構築管理装置（ＮＲＭ）（１１）に報告し、通信ネットワーク側と協調した動作を可能である。ＮＲＭ（１１）では、通信端末（３０）から受信したこれらの情報と、上位ネットワーク（１０）や無線アクセスネットワーク（２０）〜（２２）の状態とを合わせて、通信端末（３０）との通信方式等を決定、再構成することができる。

本発明では新たに、通信端末（３０）と無線アクセスネットワーク（例えば２０）との間にコグニティブ無線通信中継装置（Cognitive Wireless Router、以下ＣＷＲと呼ぶ。）（４０）と、上位通信ネットワーク（１０）上又は該上位通信ネットワーク（１０）と接続して構成される管理コアネットワーク（１２）上にリンクアグリゲーションサーバ装置（Link Aggregation Server、以下ＬＡＳと呼ぶ。）（５０）とを備えることを特徴とする。
また、ネットワーク再構築管理装置（１１）についてもＣＷＲ（４０）の情報収集や設定を行う仕様とする。

ＣＷＲ（４０）は、あらかじめ接続が許された基地局（例えば２０ａ、２１ａ、２２ａ）のうち、コグニティブ通信技術によって選択される基地局に接続する。この際、後述するリンクアグリゲーションを実行する場合は、複数の基地局に同時に接続することもできる。

ＣＷＲ（４０）は公知の無線ＬＡＮルータと同様な基地局として動作し、複数の端末が同時に接続することもできる。ＣＷＲ（４０）は、通信端末（３０）に対しては基地局として動作するが、無線アクセスネットワーク（２０）（２１）（２２）の基地局とは端末として動作するので、従来のコグニティブ通信端末が有していたＴＲＭ（Terminal Reconfiguration Manager)、ＴＲＣ（Terminal Reconfiguration Controller）、ＴＭＣ（Terminal Measurement Collector）の機能（非特許文献６，７参照）をＣＷＲ（４０）が持つ。

ＬＡＳ（５０）は、インターネット上に設置され、ＣＷＲ（４０）とＬＡＳ（５０）の間に仮想的な通信路を設定する。この仮想通信路は異なる無線アクセスネットワーク（２０）（２１）（２２）を経由する複数の通信路(無線リンク)から構成され、仮想通信路を構成するいずれかの無線リンクが切断されても、他の通信路を経由して通信を継続できる。また、全ての無線リンクが切断されても、通信相手の端末とアグリゲーションサーバの通信と、通信端末（３０）とＣＷＲ（４０）の間の通信は維持されるので、新たに無線リンクを確立すれば同一の仮想通信路の上で通信を継続できる。

例えば、ＣＷＲ（４０）と無線ＬＡＮ（２０）及びＷｉＭＡＸ（２１）との間の無線リンク（３１）（３２）を経由してＬＡＳ（５０）まで至る通信路に用いて仮想的な通信路を生成すると共に、２つの経路でリンクアグリゲーションを行うことにより、一方の無線リンクが切断しても、他方の無線リンクにより通信を継続できる。

ＣＷＲ（４０）は、通信端末（３０）のトラフィックを仮想通信路にルーティングすることもできるし、単一の無線リンク（３３）を介して直接インターネットにルーティングすることもできる。
さらに、通信端末（３０）からＣＷＲ（４０）を介さずに直接基地局（例えば２０ｂ）に接続（３４）することもできる

ネットワーク再構築管理装置（１１）は、コグニティブ通信システムにおけるＮＲＴＭ（Network Reconfiguration Manager)の機能を実装し、ＣＷＲ（４０）のＴＲＭを介して、測定情報の収集と無線アクセスネットワークの選択ポリシーの設定を行う。

ネットワーク再構築管理装置（１１）とＬＡＳ（５０）にはインターネット上から接続する為のグローバルＩＰアドレスを付与する必要がある。ＣＷＲ（４０）においてリンクアグリゲーションの対象と判断される通信端末（３０）のトラフィックは、全てＬＡＳ（５０）を経由してインターネットにルーティングされる。従って、ＬＡＳ（５０）は通信速度が大きいネットワークに接続することが望ましい。

ＣＷＲ（４０）は、ＮＡＴ（Network Address Translation)ルーティング、ＬＡＮ側空きチャネル選択、基地局選択、自動認証などの機能を有するルータである。（非特許文献１参照）
本発明では、新たに次の機能を実現するコグニティブ無線通信中継装置とアグリゲーションサーバ装置の構成を創出した。以下、順に説明する。

まず、本発明の最も重要な機能としてリンクアグリゲーション機能が挙げられる。本件発明者らはこれまでも通信速度が遅い複数の無線リンクを統合し、仮想的に高速な通信を提供するモバイルリンクアグリゲーション方式を研究している。（例えば非特許文献８，９）
モバイルリンクアグリゲーションにより、単独では通信速度が遅くてアプリケーションの要求を満足できない無線リンクも、この方式を適用すれば有効に利用することが可能になる。

しかし、利用者端末にこの機能を導入するためには、ネットワークスタックの修正または追加を要するため、組込型の小型携帯端末で使うことは不可能であり、汎用的なノートパソコンの場合でもオペレーティングシステムのドライバを扱う必要があり、インストールの作業も必要なので、一般的なネットワークへの展開が困難である。

そこで、リンクアグリゲーション機能をインターネットとＣＷＲ（４０）の間で終端することができれば、利用者は既存の端末を使用してモバイルリンクアグリゲーションの機能を使用できる。
このような観点から設計したモバイルリンクアグリゲーション方式の論理トラフィックフローを図２に示す。

図２において、通信端末（３０）にはウェブブラウザやメールクライアントソフト等の通信を行うアプリケーションプログラムを実行するアプリケーション実行処理部（３５）と、本発明の内部ネットワークである無線ＬＡＮ（２０）に接続するための物理的な内部ネットワークインタフェース（３６）を少なくとも備える。

無線ＬＡＮ（２０）では公知のようにプライベートな第１のアドレス空間が用いられ、通信端末（３０）の内部ネットワークインターフェース（３６）と、ＣＷＲ（４０）の内部ネットワークインタフェース（４１）とが接続される。
ＣＷＲ（４０）には、第１アドレス空間と第２アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段であるＮＡＴルーティング処理部（４２）と、第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースである中継装置側仮想インタフェース（４３）を備える。

ここで第２アドレス空間は、ＣＷＲ（４０）の中継装置側仮想インタフェース（４３）と、ＬＡＳ（５０）のサーバ側仮想インタフェース（５３）との間で用いられるプライベートアドレス空間である。
なお、本発明では第２アドレス空間が第３アドレス空間に属していてもよい。

さらに、本発明の要部であるアグリゲーションクライアント処理手段であるＡＰＣ（アグリゲーションプロキシクライアント）（４４）と、第３アドレス空間に属して無線アクセスネットワーク（３１）（３２）に接続される複数の物理的な無線アクセスネットワークインタフェース（４５）（４６）を備える。

ＡＰＣ（４４）は後述するように、第３アドレス空間のアドレスを用いて無線アクセスネットワークインタフェース（４５）（４６）毎にＬＡＳ（５０）との間のトンネリングを確立し、中継装置側仮想インタフェース（４３）からの出力を各トンネリングに分散すると共に、中継装置側仮想インタフェース（４３）への入力を各トンネリングから収束する機能を有する。

次に、ＬＡＳ（５０）は、第３アドレス空間を有する外部ネットワークに接続される外部ネットワークインタフェース（５１）と、アグリゲーションサーバ処理手段であるＡＰＳ（アグリゲーションプロキシサーバ）（５２）を備える。
ＡＰＳ（５２）は、第３アドレス空間のアドレスを用いて無線アクセスネットワーク（３１）（３２）毎にＣＷＲ（４０）との間のトンネリングを確立し、サーバ側仮想インタフェース（５３）への入力を各トンネリングから収束すると共に、サーバ側仮想インタフェースから（５３）の出力を各トンネリングに分散する。

さらに、ＬＡＳ（５０）は、サーバ側仮想インタフェース（５３）と、第２アドレス空間と第３アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段であるＮＡＴルーティング処理部（５４）を少なくとも備える。
ＮＡＴルーティング処理部（５４）は、外部ネットワークインタフェースを介してインターネット（１０）上のウェブサーバ（６０）等と通信する。

さらに各要素について詳述する。
ＣＷＲ（４０）とＬＡＳ（５０）には、複数の無線リンクを統合する仮想インタフェース（４３）（５３）を導入する。すなわち、中継装置側仮想インターフェース（４１）と、これは、オペレーティングシステムが提供している仮想ネットワークカーネルドライバにより生成できるものであり、パケット送受信を行うネットワークデバイスをユーザ空間のアプリケーションが扱うことが可能である。
例えばLinux（登録商標）では、tunデバイス（非特許文献１０）によりこれを実現できる。

ＣＷＲ（４０）およびＬＡＳ（５０）におけるＡＰＣ（４４）とＡＰＳ（５２）はユーザ空間のアプリケーションとして実行される。ＡＰＣ（４４）とＡＰＳ（５２）との間にはＣＷＲ（４０）の物理インタフェース（４５）（４６）毎に異なるトンネリングを設定する。
このトンネリングは、TCP、UDP、HTTP、IPIPのいずれかのトランスポート方式で個別に確立する。トンネリング接続の認証、暗号化方式、トラフィック圧縮設定、もトンネリング毎に設定可能である。

ＡＰＣ（４４）とＡＰＳ（５２）の間のトンネリング確立は、ＡＰＣ（４４）がＡＰＳ（５２）の所定のポートに接続することにより行う。通信端末（３０）から送信されたパケットは、このトンネリング上をペイロードとして運ばれる。

ＡＰＣ（４４）とＡＰＳ（５２）の接続が確立された後は、通信端末（３０）からインターネットに流れるパケットとその逆方向のパケットは、トラフィックフローの向きが逆になるだけである。
従って、以下では簡単のため、通信端末（３０）のトラフィックがＣＷＲ（４０）を経由してインターネット（１０）のウェブサーバ（６０）等に送信される場合を例に取り説明する。

まず、通信端末（３０）は、無線ＬＡＮ（２０）によりＣＷＲ（４０）にパケットを送信する。ＣＷＲ（４０）は、そのパケットをＮＡＴルーティング処理部（４２）の公知のアドレス変換機能により仮想I/F（４３）にルーティングする。
次に、ＡＰＣ（４４）がアグリゲーションヘッダを付加し、インターネット側に接続している物理I/F（４５）（４６）から、ＬＡＳ（５０）の物理I/F（５１）のIPアドレス宛に分配して送出する。

このアグリゲーションヘッダには、パケットの再送処理とフロー制御を行うためのシーケンス番号等を格納している。再送処理とフロー制御は性能に影響する本質的な機能であり、分配比率もスループットやパケットロス率などの無線リンクの通信性能に基づいて決定される性能上の重要なパラメータである。アグリゲーションヘッダについてはリンクアグリゲーション技術において公知であるので説明を省略する。

ＡＰＣ（４４）は異なるＩＰアドレスを持った複数の物理I/F（４５）（４６）からパケットを分散して送信するので、ＡＰＳ（５２）は複数の送信元ＩＰアドレスからパケットを受信する。ＡＰＳ（５２）は上述の再送処理とフロー制御を行った上、アグリゲーションヘッダを外して仮想I/F（５３）にルーティングする。
さらに、ＮＡＴルーティング処理部（５４）によりインターネット（１０）にルーティングされ、ウェブサーバ（６０）等の目的の機器に到達する。

ＬＡＳ（５０）は、複数のＣＷＲ（４０）からの接続を可能とするために、ＣＷＲ（４０）の接続要求に応じてＬＡＳ（５０）上に複数の仮想I/F（５３）を生成し、ルーティングの設定を行う。
すなわち、図３に示すように、ＡＰＳ（５２）は、ＣＷＲ（４０）単位でＬＡＳ（５０）内の仮想I/F（５３）（５３’）と仮想的な通信路（７０）（７１）を設定する。

本発明において上記仮想インタフェース（４３）（５３）を用い、ＡＰＣ（４４）とＡＰＳ（５２）間でトンネリングを確立する構成について述べた。
本発明は以上のリンクアグリゲーション機能を実装することを最小限の構成として実施することができるが、さらに次のような機能を備えてもよい。

すなわち、ＣＷＲ（４０）は、無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて通信端末（３０）のトラフィックをアグリゲーションの対象にするかどうかを決定することができる。
アプリケーションプログラムの特定には、直接アプリケーションの種類を通知する方法の他、例えばＴＣＰやＵＤＰなどのトランスポートプロトコルの種類やポート番号に基づいて判断する方法がある。

例えば、音声通話、ビデオストリーミング、ファイル転送、その他のアプリケーションに分類して種類を特定する方法を説明する。
まず音声通話については、中継するＵＤＰ（User Datagram Protocol）パケットのうち、平均スループットが３２ｋｂｐｓ未満であって、かつそれが２秒以上継続している同じ宛先アドレスの一連のパケットが検出される場合に、音声通話のアプリケーションが実行処理中であると検出する。

ビデオストリーミングについては、中継するＵＤＰパケットのうち、平均スループットが３２ｋｂｐｓ以上であって、かつそれが２秒以上継続している同じ宛先アドレスの一連のパケットが検出される場合に、ビデオストリーミングのアプリケーションが実行処理中であると検出する。

あるサーバとのダウンロードやアップロードを行うファイル転送については、通信端末が送信もしくは受信しているＴＣＰ（Transmission Control Protocol）パケットであって、宛先ポート番号が８０、２１、２０のいずれかであり、平均スループットが３２ｋｂｐｓ以上であって、かつ、それが５秒以上継続している同じ宛先アドレスの一連のパケットが検出される場合に、ファイル転送のアプリケーションが実行処理中であると検出する。
上記のいずれにも当てはまらない場合は、その他のアプリケーションと分類する。

また、通過するパケットの内容を見て、アプリケーションに特有のデータなどによってアプリケーションを特定することもできる。
以下では、アプリケーションが特定された後の、トラフィックの分配について説明する。

図４に示すように、ＮＡＴルーティング処理部（４２）のインターネット側において、ルーティング分別処理部（４７）を設け、アグリゲーションの対象とするパケットを仮想I/F（４３）、対象としないパケットをいずれかの物理I/F（４５）にルーティングする。

このルーティングは、オペレーティングシステムに付属のコマンドで実行可能であり、例えばLinuxではiproute2やiptablesのようなコマンドで実行できる。これにより、例として、以下のような動作が可能である。
(1)aaa.bbb.ccc.ddd/24宛てはアグリゲーション非対象
(2)TCP80番ポートをアグリゲーション対象
(3)TCP110番ポート以外をアグリゲーション対象

本実施例によれば、ウェブサーバのアドレスに応じてユーザが使用可能な無線アクセスネットワークの種類や、リンクアグリゲーションを行うか否かに差異を設けたり、アプリケーションプログラムで実行するサービスの種類によってリンクアグリゲーションを行うか否かを決めることができる。
特に、ＣＷＲ（４０）におけるＡＰＣ（４４）の接続ポリシーをネットワークの提供者側がＮＲＭ（１１）などを通して制御することにより、ネットワーク全体に対して適当なポリシーを適用することもできる。

本発明に係るＣＷＲ（４０）の機能は、他に次のようなものが提供される。
まず、最適通信デバイス選択機能について説明する。ＣＷＲ（４０）に備えるＴＲＭ（図示しない）の機能では、無線アクセスネットワークの選択ポリシーをＮＲＭ（１１）から設定され、それに基づいて接続するべき通信デバイスが決定され、無線リンクの接続が維持される。図５にＣＷＲ（４０）が通信デバイスを選択する際のフローチャートを示す。

ＴＲＭは任意のタイミングでＮＲＭ（１１）から通信デバイスの切り替え指示（Ｓ１０）を受信し、また、ＣＷＲ（４０）のスキャンボタンにより最適な通信デバイスの再選択が手動で指示される。
電源投入時（Ｓ１１）およびスキャンボタンの押下時（Ｓ１２）には、あらかじめ設定された通信デバイスの優先度の順に従って、受信できる基地局の電波強度を測定する。（Ｓ１３）。

その電波強度が、その通信デバイスに設定された閾値HighTHを超えている場合に限り、その基地局が選択される。リンクアグリゲーション機能において、必要な無線リンクの数が確保できるまでこの手順を繰り返す（Ｓ１４）。

通信デバイスの優先度は、ＣＷＲ（４０）の管理者が手動で設定できるが、ＮＲＭ（１１）からの指示によりシステムの管理者が上書きして設定することもできる。

無線リンクを確立した後は、定期的にインターネット接続状況の確認と電波強度の確認（Ｓ１５）を行う。インターネット接続状況の確認とは、上位レイヤでパケットの到達性を、インターネット側のDNSサーバに問い合わせることにより行い、一定回数以上の失敗により、無線リンクが切断されているものと判断する。
また、電波強度の確認とは、接続している基地局の電波強度が閾値LowTHよりも上回っていることを確認するものである。なお、LowTH＜HighTHを満たしている。

次に、ネットワーク協調機能について説明する。
ＣＷＲ（４０）がネットワーク側の管理機能と協調して動作するために、ＮＲＭ（１１）と図示しないＣＷＲ（４０）のＴＲＭとの間の通信を定義する。ＴＲＭではＮＲＭ（１１）のＩＰアドレスまたはホスト名が既知であるものとする。ＴＲＭは、電源投入時およびＩＰアドレス変化時に、ＮＲＭ（１１）にＩＰアドレスの登録を行うので、運用中はＮＲＭ（１１）にとってもＴＲＭのＩＰアドレスは既知である。
この通信はSecure Socket Layer(SSL)により行い、他の機器には内容が秘匿される。

本発明は以上に述べたリンクアグリゲーション機能、最適通信デバイス選択機能、ネットワーク協調機能を備えることで、次のような機能要件をいずれも満たすことができる。
まずリンクアグリゲーション機能によれば、複数の無線アクセスネットワークに同時に接続して単一の接続と比較して高速な通信が可能となる。このとき、接続先の無線アクセスネットワークが切り替わっても通信が途切れることなく通信を継続できる。さらに、本発明の別実施例で述べたように、アプリケーションの種類に基づくトラフィック制御が可能となる。

最適通信デバイス選択機能によれば、ＣＷＲ（４０）は設定された無線アクセスネットワーク選択ポリシーに基づき自律的に無線アクセスネットワークの選択を行うことが可能である。従来、コグニティブ通信端末にＴＲＭを備える必要があったが、ＣＷＲ（４０）を導入することで、通信端末（３０）には特別な機構を備える必要がなく、コグニティブ通信技術を用いることができる。

ネットワーク協調機能によれば、個々のＣＷＲ（４０）に対して、リアルタイムの切替指示を含む無線アクセスネットワーク選択ポリシーの設定が可能となる。例えば通信ネットワークの事業者側からの切り替え指示をＣＷＲ（４０）に対して行うことができる。

さらにＣＷＲ（４０）を導入することで、無線アクセスネットワークとＣＷＲ（４０）との接続認証を通信端末（３０）に隠ぺいしても、通信端末（３０）はＣＷＲ（４０）に認められた接続ポリシーの範囲で、該無線アクセスネットワークを利用することが可能となる。

１コグニティブ無線通信システム
１０インターネット
１１ＮＲＭ
２０〜２２無線アクセスネットワーク
３０通信端末
４０ＣＷＲ
５０ＬＡＳ

Claims

複数の異種の無線アクセスネットワークを用いるリンクアグリゲーション機能を備えたコグニティブ無線通信システムであって、
無線通信端末とコグニティブ無線通信中継装置とが内部ネットワークで接続されると共に、該コグニティブ無線通信中継装置と外部ネットワーク上のアグリゲーションサーバ装置とが複数の無線アクセスネットワークによって接続され、該アグリゲーションサーバ装置と、無線通信端末の通信先である通信先サーバ装置とが外部ネットワークで接続される構成において、
該無線通信端末が、
アプリケーションプログラムを実行処理するアプリケーション実行処理手段と、
第１アドレス空間を有する内部ネットワークと通信するための内部ネットワークインタフェースと
を少なくとも備え、
該コグニティブ無線通信中継装置が、
内部ネットワークと通信するための内部ネットワークインタフェースと、
第１アドレス空間と第２アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段と、
第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースである中継装置側仮想インタフェースと、
第３アドレス空間に属し、無線アクセスネットワークのそれぞれに接続される複数の無線アクセスネットワークインタフェースと、
第３アドレス空間のアドレスを用いて該無線アクセスネットワーク毎に該アグリゲーションサーバ装置との間のトンネリングを確立し、該中継装置側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散すると共に、該中継装置側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束するアグリゲーションクライアント処理手段と、
を少なくとも備え、
該アグリゲーションサーバ装置が、
第３アドレス空間を有する外部ネットワークに接続される外部ネットワークインタフェースと、
第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースであるサーバ側仮想インタフェースと
第３アドレス空間のアドレスを用いて該無線アクセスネットワーク毎に該コグニティブ無線通信中継装置との間のトンネリングを確立し、該サーバ側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束すると共に、該サーバ側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散するアグリゲーションサーバ処理手段と、
第２アドレス空間と第３アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段と
を少なくとも備えた
ことを特徴とするコグニティブ無線通信システム。
前記コグニティブ無線通信中継装置の前記アドレス変換手段において、
前記無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて、
第２のアドレス空間に変換して前記中継装置側仮想インタフェースにルーティングするか、
第３のアドレス空間に変換して前記無線アクセスネットワークインタフェースにルーティングするか、
を選択する
請求項１に記載のコグニティブ無線通信システム。
前記アグリゲーションサーバ装置の前記アドレス変換手段において、
前記無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて
第２のアドレス空間に変換して前記サーバ側仮想インタフェースにルーティングするか、
アドレス変換をせずに外部ネットワークインタフェースにルーティングするか、
を選択する
請求項１又は２に記載のコグニティブ無線通信システム。
複数の異種の無線アクセスネットワークを用いるリンクアグリゲーションを行うコグニティブ無線通信方法であって、
無線通信端末とコグニティブ無線通信中継装置とを第１アドレス空間を有する内部ネットワークで接続し、
コグニティブ無線通信中継装置とアグリゲーションサーバ装置とを、複数の物理的な経路上にそれぞれ確立したトンネリングで接続すると共に、該各装置には第２アドレス空間に属する仮想インタフェースを設けて、該仮想インタフェース間を該トンネリングのリンクアグリゲーションを行った経路で接続し、
アグリゲーションサーバ装置が該仮想インタフェースと第３アドレス空間を有する外部ネットワークとのルーティングを行う
ことを特徴とするコグニティブ無線通信方法。
前記コグニティブ無線通信方法において、
無線通信端末上で実行処理されるアプリケーションプログラムに応じて、前記仮想インタフェース間の経路にルーティングするか、前記外部ネットワークにルーティングするかを選択する
請求項４に記載のコグニティブ無線通信方法。
前記請求項１ないし３に記載のコグニティブ無線通信システムで用いられ、
内部ネットワークと通信するための内部ネットワークインタフェースと、
第１アドレス空間と第２アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段と、
第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースである中継装置側仮想インタフェースと、
第３アドレス空間に属し、無線アクセスネットワークのそれぞれに接続される複数の無線アクセスネットワークインタフェースと、
第３アドレス空間のアドレスを用いて該無線アクセスネットワーク毎に該アグリゲーションサーバ装置との間のトンネリングを確立し、該中継装置側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散すると共に、該中継装置側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束するアグリゲーションクライアント処理手段と、
を少なくとも備えた
ことを特徴とするコグニティブ無線通信中継装置。
前記請求項１ないし３に記載のコグニティブ無線通信システムで用いられ、
第３アドレス空間を有する外部ネットワークに接続される外部ネットワークインタフェースと、
第２アドレス空間に属する仮想的なインタフェースであるサーバ側仮想インタフェースと
第３アドレス空間のアドレスを用いて該無線アクセスネットワーク毎に該コグニティブ無線通信中継装置との間のトンネリングを確立し、該サーバ側仮想インタフェースへの入力を各トンネリングから収束すると共に、該サーバ側仮想インタフェースからの出力を各トンネリングに分散するアグリゲーションサーバ処理手段と、
第２アドレス空間と第３アドレス空間とのアドレス変換を行うアドレス変換手段と
を少なくとも備えた
ことを特徴とするアグリゲーションサーバ装置。