JP5793092B2

JP5793092B2 - 無線システム構成算出装置、無線システム構成算出方法およびコンピュータプログラム

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Publication number: JP5793092B2
Application number: JP2012031969A
Authority: JP
Inventors: 金子　尚史; 尚史金子; 岸　洋司; 洋司岸
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: JP2013168877A

Description

本発明は、無線システム構成算出装置、無線システム構成算出方法およびコンピュータプログラムに関する。

例えば非特許公報１，２には、従来の基地局の機能を、無線送受信機能を有する無線部と無線部を制御する無線制御部とに分離し、複数の無線制御部を１箇所に集約した無線アクセスネットワークシステム（以下、Cloud‐RANと称する）が記載されている。Cloud-RANでは、トラヒックの状況に応じて、一無線制御部が一無線部を制御したり、又は、一無線制御部が複数の無線部を制御したりする。これにより、限られた無線制御部のリソースを効率的に利用することができる。

Nokia Siemens Networks, Liquid Radio, インターネット＜ＵＲＬ：http://nsnjapan.jp/topics/event/110712_interview_2.html＞ Alcatel-Lucent, Light Radio, インターネット＜ＵＲＬ：http://www.alcatel-lucent.com/features/light_radio/index.html＞

しかし、上述した従来のCloud‐RANでは、無線制御部に対してどの無線部を制御するように割り当てるのかを決める際にトラヒックの状況を考慮するが、以下に示すような不都合が生じている。

図６は、Cloud‐RANの構成例である。図６には、３台の無線制御部１００ａ，１００ｂ，１００ｃと７台の無線部ａ〜ｇが示されており、各無線部ａ〜ｇに対してピーク時の無線リソース使用率（カッコ内の数字）が記載されている。図６の例では、ピーク時の無線リソース使用率に応じて、無線制御部１００ａに無線部ｃ，ｄ，ｇを、無線制御部１００ｂに無線部ａ，ｅ，ｆを、無線制御部１００ｃに無線部ｂを、それぞれ割り当てている。

いま図６のCloud‐RANにおいて、無線端末２００は無線部ｃの通信圏内に在って無線部ｃに接続している。この無線端末２００が、図６中の一点鎖線で示されるように、無線部ｃの通信圏から、無線部ｄの通信圏、次いで無線部ａの通信圏を経由して無線部ｇの通信圏に移動したとする。すると、無線端末２００は、無線部ｃ，ｄの通信圏内にあるときには無線部ｃ，ｄに接続して対応する無線制御部１００ａに接続しているが、無線部ａの通信圏に移動すると無線部ａに接続して対応する無線制御部１００ｂに接続を切り替える（ハンドオーバ発生）。次いで、無線端末２００は、無線部ｇの通信圏に移動すると無線部ｇに接続して対応する無線制御部１００ａに再度接続を切り替える（ハンドオーバ発生）。この場合、無線端末２００は、無線制御部１００ａから無線制御部１００ｂにハンドオーバした後、再度、無線制御部１００ａへハンドオーバすることになる。このようなハンドオーバの頻発は避けることが望ましい。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、複数の無線部（無線送受信装置）と複数の無線制御部（無線制御装置）との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する際に、ハンドオーバの頻発を避けるように割り当てを行うことができる、無線システム構成算出装置、無線システム構成算出方法およびコンピュータプログラムを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る無線システム構成算出装置は、複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出装置であり、一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てることを特徴とする。

本発明に係る無線システム構成算出装置においては、各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出する演算部を備えたことを特徴とする。

本発明に係る無線システム構成算出装置においては、割当対象である複数の無線送受信装置の隣接関係を表す隣接行列を格納する隣接行列記憶部と、前記割当対象の各無線送受信装置の無線リソース使用率を格納する無線リソース使用率記憶部と、割当対象である１台の無線制御装置に対して接続可能な無線送受信装置の数の上限値を格納する接続数上限値記憶部と、を備え、前記演算部は、前記記憶部に格納される情報を用いて、各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出する最適化問題を解く演算を行う、ことを特徴とする。

本発明に係る無線システム構成算出方法は、複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出方法であり、一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てることを特徴とする。

本発明に係るコンピュータプログラムは、複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出処理を行うためのコンピュータプログラムであって、一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てるステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであることを特徴とする。
これにより、前述の無線システム構成算出装置がコンピュータを利用して実現できるようになる。

本発明によれば、複数の無線送受信装置と複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する際に、ハンドオーバの頻発を避けるように割り当てを行うことができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）システムの概略構成図である。本発明の一実施形態に係る無線システム構成算出部１０の構成図である。無線部５の隣接関係の例である。ＲＡＮシステムの構成例である。本発明の一実施形態に係る無線システム構成算出部１０の出力結果の例を示す図である。従来のCloud‐RANの構成例である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）システムの概略構成図である。図１において、基地局機能は、無線制御部（Radio Control Unit：ＲＣＵ）２と無線部（Remote Radio Head：ＲＲＨ）５とに分離されている。無線部５は、無線送受信機能を有する。無線制御部２は、無線部５を制御する。無線制御部２及び無線部５には、それぞれを一意に特定することができる識別子（ＩＤ）が付与されている。

無線管理装置（RCU Management Unit：ＲＭＵ）１は、複数の無線制御部２に接続されている。また、無線管理装置１は、パケットゲートウェイ（ＰＧＷ）６に接続されており、パケットゲートウェイ５を介してインターネットなどの外部ネットワーク７に接続する。

無線制御部２は、スイッチ３を介してＷＤＭ−ＰＯＮに接続されており、ＷＤＭ−ＰＯＮ経由で無線部５に接続される。ＷＤＭ−ＰＯＮは、波長スイッチ４により波長分割多重（ＷＤＭ）で、無線制御部２と無線部５間を接続する。波長スイッチ４間は光ファイバーケーブルで接続される。１台の無線制御部２は、複数の無線部５と接続可能である。又、複数の無線部５と複数の無線制御部２との間の接続を任意に設定することができる。無線管理装置１、無線制御部２、スイッチ３、及び、無線制御部２側の波長スイッチ４は、同じ局舎８に設置されている。

無線管理装置１は、自己に接続する複数の無線制御部２と、それら複数の無線制御部２と接続可能な複数の無線部５との接続を管理する。本実施形態では、無線管理装置１は、無線システム構成算出部１０を備える。無線システム構成算出部１０は、複数の無線制御部２の各各に対して、どの無線部５を制御するように割り当てるのかを決める。

図２は、本実施形態に係る無線システム構成算出部１０の構成図である。図２において、無線システム構成算出部１０は、入力部１１と最適化問題演算部１２と出力部１３と無線部ＩＤ記憶部１４と無線制御部ＩＤ記憶部１５と隣接行列記憶部１６と無線リソース使用率記憶部１７と接続数上限値記憶部１８を有する。

入力部１１は、各種の入力情報を入力する。入力情報は、それぞれ該当する記憶部１４〜１８に格納される。最適化問題演算部１２は、入力部１１からの指示に従って、各記憶部１４〜１８に格納される情報を用いて所定の最適化問題を解く演算を行う。出力部１３は、最適化問題演算部１２の演算結果を出力する。

無線部ＩＤ記憶部１４は、無線制御部２に割当可能な無線部５のＩＤを格納する。無線制御部ＩＤ記憶部１５は、無線部５を割当可能な無線制御部２のＩＤを格納する。隣接行列記憶部１６は、無線部ＩＤ記憶部１４に格納されるＩＤの無線部５に関して、無線部５の隣接関係を表す隣接行列を格納する。無線リソース使用率記憶部１７は、無線部ＩＤ記憶部１４に格納されるＩＤの無線部５に関して、各無線部５の無線リソース使用率を格納する。接続数上限値記憶部１８は、無線制御部ＩＤ記憶部１５に格納されるＩＤの無線制御部２に関して、１台の無線制御部２に対して接続可能な無線部５の数の上限値（接続数上限値）を格納する。

以下、図２に示す最適化問題演算部１２が解く最適化問題について、詳細に説明する。

変数ｙ_ｉ，ｃ_ｉｊを次式のように定義する。

例えば、無線制御部２の台数が５であり、無線部５の台数が５である場合、変数ｃ_ｉｊは次式の行列Ｃで表される。行列Ｃは、無線制御部２に割当てられる無線部５を示す。

本実施形態では、無線制御部２（ｉ）のＩＤの集合をＩとし、無線部５（ｊ）のＩＤの集合をＪとする。又、行列Ｃの各行ベクトルをｃ⁻ _ｉと記す。接続数上限値をαとする。無線部５（ｊ）の時刻ｔにおける無線リソース使用率をｕ_ｊｔとする。但し、０≦ｕ_ｊｔ≦１、である。

隣接行列Ｎを次式で定義する。

但し、＃Ｊは集合Ｊの要素数である。ｎ_ｋｋは１とする。なお、無線部５（ｋ）と無線部５（ｌ）が隣接関係であるとは、無線部５（ｋ）と無線部５（ｌ）が地理的に隣り合って配置されていることを指す。

例えば、図３に示すように、４台の無線部５（１）〜（４）が一列に並んでいる場合の隣接行列Ｎは次式となる。

ここで、＃Ｊ×＃Ｊの行列「Ｃ_ｉ＝（ｃ⁻ _ｉ）^Ｔ・ｃ⁻ _ｉ」を考える。行列Ｃ_ｉの行成分および列成分はともに、無線制御部２（ｉ）に接続される無線部５（ｊ）に対応する要素が１となり、それ以外は０となる。但し、（・）^Ｔは転置を表す。そして、隣接行列Ｎから、無線制御部２（ｉ）に接続される無線部５（ｊ）に対応する要素のみを抜き出すため、隣接行列Ｎと行列Ｃ_ｉのアダマール積（Ｎ＿Ｃ_ｉと記す）を計算する。Ｎ＿Ｃ_ｉにおいて、無線制御部２（ｉ）に接続されない無線部５（ｊ）に対応する要素は０となる。

無線制御部２（ｉ）に割当てられた無線部５の総数をＪ_ｉとする。本実施形態では、無線制御部２（ｉ）に割当てられたＪ_ｉ個の無線部５が隣接関係にあることを、無線制御部２（ｉ）に割当てられたＪ_ｉ個の無線部５が連結していることで表す。また、無線制御部２（ｉ）に割当てられたＪ_ｉ個の無線部５が連結であることは、Ｎ＿Ｃ_ｉから得られるグラフにおいて、無線制御部２（ｉ）に割当てられたＪ_ｉ個の無線部５の任意の無線部５の組合せに対して長さが「Ｊ_ｉ−１」以下のパスが少なくとも一つ存在すること、と等価である。

グラフ理論において、隣接行列Ａのｎ乗（Ａ^ｎ）の（ｋ，ｌ）成分は、ｋからｌまでの長さｎのパスの個数と一致するので、無線制御部２（ｉ）に割当てられたＪ_ｉ個の無線部５が連結しているときは、次式が成り立つ。

以上より、次式（１）〜（５）から成る最適化問題を定義することができる。

但し、Ｔｉｍｅは所定の期間である。式（１）は目的関数である。式（２）〜（５）は制約条件である。式（２）は、１台の無線制御部２（ｉ）に接続可能な無線部５（ｊ）の数はα台以下であることを示す。式（３）は、無線部５（ｊ）は必ず１台の無線制御部２（ｉ）に接続されること示す。式（４）は、無線制御部２（ｉ）はオーバロードしないこと、すなわち、無線制御部２（ｉ）は接続する無線部５（ｊ）のトラヒックを収容可能であることを示す。式（５）は、同一の無線制御部２（ｉ）に接続される無線部５（ｊ）は隣接関係にあることを示す。

この式（１）〜（５）から成る最適化問題は、各無線部５（ｊ）の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線部５（ｊ）のトラヒックを収容する無線制御部２（ｉ）の台数を最小にするように、変数ｙ_ｉ，ｃ_ｉｊを決める問題である。

最適化問題演算部１２は、式（１）〜（５）から成る最適化問題を解く演算を行う。最適化問題演算部１２は、その演算結果として変数ｙ_ｉ，ｃ_ｉｊを出力する。この出力された変数ｙ_ｉ，ｃ_ｉｊは、どの無線制御部２（ｉ）に対して、どの無線部５（ｊ）を割り当てるのかを示す。この割当では、式（５）の制約条件から、同一の無線制御部２（ｉ）には隣接関係にある無線部５（ｊ）のみが割り当てられる。

例えば、図４に示すＲＡＮシステムでは、４台の無線制御部２（１）〜（４）と４台の無線部５（１）〜（４）を有し、それら無線部５（１）〜（４）が一列に並んで配置されている。図４中には、時刻ｔ１および時刻ｔ２における各無線部５（１）〜（４）の無線リソース使用率が記載されている。このＲＡＮシステムに対して、本実施形態に係る式（１）〜（５）から成る最適化問題を解く。この結果の解が図５に示されている。図５には、無線制御部２（１）〜（４）に対する、無線部５（１）〜（４）の割当結果が示される。図５に示されるように、無線リソース使用率の観点では同一の無線制御部２に接続可能な無線部５の組合せは複数あるが（無線部５（１）と（３）の組、無線部５（１）と（４）の組、無線部５（３）と（４）の組）、同一の無線制御部２（３）には、隣接関係にある無線部５（３），（４）しか割り当てられていない。これは、式（５）の制約条件による。これにより、図６の例を挙げて説明したようなハンドオーバの頻発を避けるように割り当てを行うことができるという効果が得られる。

なお、最適化問題演算部１２には、最適化問題を解くための公知のソフトウェアを利用することができる。例えば「ソルバー」と呼ばれるソフトウェアを用いて最適化問題演算部１２を構成すればよい。

以上が本実施形態に係る最適化問題の説明である。

なお、ある無線部５の無線リソース使用率は、当該無線部５に接続する無線端末に対して割り当てた無線リソースの総量から計算することができる。又、ある無線部５に接続する無線端末は、当該無線部５が受信した無線端末からの電波の受信電力に基づいて判断することができる。複数の無線部５が同じ無線端末からの電波を受信した場合には、最大受信電力の無線部５に当該無線端末が接続していると判断すればよい。

本実施形態によれば、以下に示すような効果が期待できる。
近年、スマートフォンの利用拡大などに伴い、モバイルトラヒックが急増している。限られた周波数リソースを使い、現在も急速に増加しつつあるモバイルトラヒックを収容するためには、周波数の繰り返し利用率を向上させシステム容量を増大することが必要であり、さらなる小セル化は避けられないと考えられる。現在の移動通信システムの基地局設計では、展開時期のピーク時のトラヒック需要を見込み、ピーク時のトラヒック量を収容するために必要な基地局の配置を行っている。しかしながら、この従来の基地局設計に基づいて小セル基地局を設置すると、基地局数の増加を招くため、コスト低減は重要な課題である。この課題に対して、本実施形態によれば、各無線部５のトラヒック量の変化を考慮して無線制御部２の割り当てを行う際に、同一の無線制御部２には隣接関係にある無線部５のみを割り当てることで、ハンドオーバの頻発を避けつつ、無線制御部２のリソースを効率的に利用することでコスト低減に寄与することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
また、図２に示す無線システム構成算出部１０の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、無線システム構成算出処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

２…無線制御部（無線制御装置）、５…無線部（無線送受信装置）、１０…無線システム構成算出部（無線システム構成算出装置）、１１…入力部、１２…最適化問題演算部、１３…出力部、１４…無線部ＩＤ記憶部、１５…無線制御部ＩＤ記憶部、１６…隣接行列記憶部、１７…無線リソース使用率記憶部、１８…接続数上限値記憶部

Claims

複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出装置であって、
一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てる無線システム構成算出装置であり、
各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出する演算部を備えたことを特徴とする無線システム構成算出装置。
割当対象である複数の無線送受信装置の隣接関係を表す隣接行列を格納する隣接行列記憶部と、
前記割当対象の各無線送受信装置の無線リソース使用率を格納する無線リソース使用率記憶部と、
割当対象である１台の無線制御装置に対して接続可能な無線送受信装置の数の上限値を格納する接続数上限値記憶部と、を備え、
前記演算部は、前記記憶部に格納される情報を用いて、各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出する最適化問題を解く演算を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の無線システム構成算出装置。
複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出方法であって、
一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てる無線システム構成算出方法であり、
演算部が、各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出するステップ、
を含むことを特徴とする無線システム構成算出方法。
複数の無線送受信装置と前記複数の無線送受信装置を制御するための複数の無線制御装置との間の接続を設定可能な無線アクセスネットワークシステムにおいて、前記無線制御装置の各各に対してどの無線送受信装置を割り当てるのかを算出する無線システム構成算出処理を行うためのコンピュータプログラムであって、
一無線制御装置に対して、隣接関係にある無線送受信装置のみを割り当てるステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであり、
各無線送受信装置の無線リソース使用率の時間的な変化を考慮しながら、隣接関係にある無線送受信装置のトラヒックを収容する無線制御装置の台数を最小にするように、無線制御装置に割り当てる無線送受信装置を算出することを特徴とするコンピュータプログラム。