JP6047075B2 - モバイルゲートウェイ、その制御方法、それを備える無線アクセスネットワークシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数の移動端末を接続する複数の基地局とサービスネットワークとの間に設けられるモバイルゲートウェイ、その制御方法、それを備える無線アクセスネットワークシステムに関するものである。

近年、移動体通信ネットワークは、3Gの高速データ通信サービスのHSPAやEV-DOなど3.5Gと呼ばれるネットワークサービスの進化系として、3.9Gと呼ばれるWiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)やLTE(Long Term Evolution)などの高速のモバイルブロードバンドが普及している。さらに今後LTE-Advancedと呼ばれるサービスではキャリアアグリゲーションによる無線帯域の拡大が予定されており、よりいっそうの通信の高速化が可能となる。3.9Gではスマートフォンと呼ばれる高性能な移動端末やパソコンをこれらのモバイルブロードバンド経由でインターネットへ接続することが一般化しつつあり、利用無線帯域によっては通信速度が100Mbpsを超える。

モバイルブロードバンドサービスの普及に伴い、移動体通信ネットワークの基地局に接続されているアクセス回線の回線速度、および基地局と接続されて移動端末を収容するモバイルゲートウェイと基地局との間のネットワークの回線速度の増加も必要となってきている。

一方で、モバイルブロードバンドの高速化により通信中とアイドル状態でのトラフィックの量の差が拡大している。また、基地局配下に存在する移動端末数は、時間や設置されている位置に応じて大きく変化する。例えば、都心部に設置された基地局は昼間の時間帯でのトラフィックが多く、深夜から早朝にかけての時間ではトラフィックがほとんど生じない。これに対し、住宅に隣接している基地局では夕方から深夜にかけて多くのトラフィックが発生している。WiMAXやLTEなどのモバイルブロードバンドシステムになると、基地局への通信路に必要な帯域は、基地局の通信能力と移動端末の通信能力との関係によって大きく変化する。

例えば、通信能力が150Mbpsの基地局に75Mbpsの通信能力の移動端末が接続している場合に基地局への通信に必要な帯域75Mbpsとなる。また、基地局が複数のセクタを構成している場合には、移動端末のセクタへの配置によっても基地局への通信路に必要な帯域は大きく変化する。各セクタが75Mbpsの通信能力を持つ基地局において、２台の75Mbpsの通信能力を持つ移動端末が１つのセクタにのみ存在している場合には、基地局への通信路に必要な帯域は最大75Mbpsであるのに対して、２台の移動端末が異なるセクタに存在する場合には基地局への通信路に必要な帯域は最大150Mbpsとなる。

基地局への帯域の割り当てに関して、例えば特許文献１には基地局の負荷に応じて基地局への帯域を割り当てると共に、移動端末のサービスレベルに基づいて各移動端末への帯域を割り当てることが記載されている。

特開２０１２−２２２３８０号公報

モバイルブロードバンドシステムになると、上記のとおり移動端末の配置に応じて基地局の必要とする帯域が大幅に変化するため、移動端末と基地局との配置関係すなわち接続関係に対して帯域を制御する必要がある。これに対して特許文献１にはそのような移動端末の配置に対して帯域を制御する技術の開示は見当たらない。また、移動端末の増加にしたがってさまざまな種類の移動端末が使われるようになり、移動端末の機種によって通信能力が大きく異なる。さらに、移動端末ではさまざまなアプリケーションが実行されるようになり、例えばVoIP(Voice over IP)とホームページの閲覧などでは使用する帯域の幅が大きく異なる。これに対して特許文献１に記載されたサービスレベルでは帯域を適切に制御しきれない。

本発明の第１の目的は、移動端末の配置の変化に応じて基地局へ適切な帯域を割り当てることにある。本発明の第２の目的は、移動端末の機種あるいは移動端末で実行されるアプリケーションなどに応じて、移動端末の配置された基地局へ適切な帯域を割り当てることにある。

本発明にかかるモバイルゲートウェイは、好ましくは、複数の移動端末を接続する複数の基地局とサービスネットワークとの間に設けられるモバイルゲートウェイであって、前記基地局の通信能力を取得する基地局情報取得部と、前記移動端末の機種毎の通信能力を取得する移動端末情報取得部と、前記取得した基地局の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局の通信帯域を推定する通信帯域推定部と、前記推定した通信帯域に基づいて前記基地局に対する通信帯域を制御する通信帯域制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるモバイルゲートウェイは、好ましくは、前記基地局のセクタ毎の通信能力を取得する基地局情報取得部と、前記取得した基地局のセクタ毎の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局のセクタ毎に使用する周波数幅を推定する通信帯域推定部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかるモバイルゲートウェイは、好ましくは、前記基地局間あるいは前記セクタ間での前記移動端末のハンドオーバに応じて前記推定を実行する、あるいは前記移動端末のアイドル状態とアクティブ状態との状態変化に応じて前記推定を実行する通信帯域推定部を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明にかかるモバイルゲートウェイは、好ましくは、前記移動端末のアプリケーションまたは通信サービスに関する通信帯域を取得するポリシー取得部と、前記取得した基地局の通信能力と前記取得したアプリケーションまたは通信サービスに関する通信帯域に基づいて前記基地局の通信帯域を推定する通信帯域推定部と、を備えたことを特徴とする。

そして、本発明は、モバイルゲートウェイの制御方法、モバイルゲートウェイを備えた無線アクセスネットワークシステムとしても把握される。

本発明によれば、移動端末の配置の変化に応じて基地局へ適切な帯域を割り当てることができる。さらに、移動端末の機種あるいは移動端末で実行されているアプリケーションに応じて、当該移動端末の配置された基地局へ適切な帯域を割り当てることができる。

移動体通信システムの構成例を示す図である。 異なる通信能力の基地局と異なる通信能力の移動端末との配置構成により割り当てる帯域の例を示す図である。 複数の基地局へ帯域を割り当てる構成の例を示す図である。 モバイルゲートウェイ、ポリシーサーバ、基地局データベース、端末機種データベースのそれぞれが備える情報の関係を示す図である。 基地局情報テーブルの例を示す図である。 移動端末機種情報テーブルの例を示す図である。 移動端末管理テーブルの例を示す図である。 セクタ別周波数帯管理テーブルの例を示す図である。 基地局別通信帯域管理テーブルの例を示す図である。 セクタ毎の使用中と推定される周波数幅を計算するフローチャートを示す図である。 基地局毎の通信帯域を計算するフローチャートを示す図である。 モバイルゲートウェイの構成の例を示す図である。 移動端末が基地局に接続してきた場合の通信手順の例を示す図である。 アプリケーションまたは通信サービスによって移動端末ごとに通信帯域を割り当てる通信手順の例を示す図である。 モバイルゲートウェイを複数備えた移動体通信システムの構成例を示す図である。 モバイルゲートウェイを複数備えた移動体通信システムにおいて帯域を調停してパスを設定する通信手順の例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態にかかるモバイルゲートウェイ、そのプログラム、それを備えた無線アクセスネットワークシステムについて説明する。

図1は移動体通信システムの構成例を示す図である。ここでは主に3.9Gと呼ばれるLTEへの適用を例にして説明するが、WiMAXや3Gシステムにおいても同様の適用を行うことが可能である。UE 101は移動端末であり、eNB(enhanced NodeB)102は基地局であり、MME(Mobility Management Entity）103は端末の位置管理や認証処理を行う移動管理サーバであり、HSS(Home Subscriber Server)113は移動端末のデータベースとなるサーバであり、S-GW(Serving GW)104は無線アクセスネットワーク106内のアンカーポイントとなる第１のモバイルゲートウェイであり、P-GW(Packet Data Network GW)105はサービスネットワーク108と無線アクセスネットワーク106の境界となる第２のモバイルゲートウェイであり、無線アクセスネットワーク106はUE 101からの無線アクセスをサービスネットワーク108へ中継するものであり、ルータ／スイッチ107は無線アクセスネットワーク106内に設置されてeNB 102やS-GW 104、P-GW 105やMME 103の間に配置されるルータやスイッチであり、サービスネットワーク108はUE 101に対してサービスを提供する外部ネットワーク（インターネット）であり、PCRF(Policy and Charging Rules Function)109はQoSや課金の制御などを実施するポリシーサーバである。eNB DB 111は無線アクセスネットワーク106に設置されたeNB 102の情報を格納した基地局データベースであり、eNB 102の割り振られたIDとeNB 102の保持する通信能力、eNB 102の備えるセクタ数などの情報を格納している。UE DB 112はUE 101の通信能力を格納した移動端末機種データベースである。P-CSCF(Proxy Call Session Controller Function)114は呼制御サーバであり、IMS(IP Multimedia Subsystem)と呼ばれる通信サービスの中でSIP(Session Initiation Protocol)の処理行う。

図１ではLTEを例にしているが、WiMAXではASN-GW(Access Service Network GateWay)がS-GW/MMEに、HA（Home Agent）がP-GWに相当する機能を有し、3GシステムではSGSN(Serving GPRS Support Node)がS-GW/MMEに、GGSN(Gateway GPRS Support Node)がP-GWに相当する機能を有する。

図２は、異なる通信能力のeNB 102（オムニセクタ基地局 201、３セクタ基地局 208）と、異なる通信能力のUE 101（UE 202、205、106）が各eNB 102の配下に配置されて接続した場合の配置構成204、207、210、211においてeNB 102へ割り当てる帯域の例を示す図である。オムニセクタ基地局201はeNB 102の中で150Mbpsの通信能力を備えたセクタが１つの基地局 であり、例えばFDD-LTEにおいては20MHzの周波数幅を利用可能なeNB 102である。オムニセクタ基地局 201は１つの周波数帯に十分な周波数幅が確保できない場合には複数の異なる周波数帯(コンポーネントキャリア)を束ねて利用するキャリアアグリゲーション(CA)の機能を利用しても良い。例えばオムニセクタ基地局 201では2.1GHzで10MHzの周波数幅を利用して75Mbpsの通信能力があると共に、3.4GHzで10MHzの周波数幅を利用して75Mbpsの通信能力があり、2.1GHzと3.4GHzの２つの周波数帯を利用すると150Mbpsの通信能力がある。アクセス回線203は図１においてオムニセクタ基地局 201であるeNB 102からP-GW 105までの通信経路である。配置構成204ではオムニセクタ基地局 201の配下にCA非対応で2.1GHz 75Mbpsの通信能力しかないUE 202が配置されている場合であり、オムニセクタ基地局 201のアクセス回線203へ割り当てる帯域は75Mbpsになる。

配置構成207は配置構成204と同じオムニセクタ基地局 201であり、UE 201とは機種が異なるCA対応で2.1GHz と3.4GHz帯を同時に利用して150Mbpsの通信能力があるUE 205の場合であり、オムニセクタ基地局 201のアクセス回線203へ割り当てる帯域は150Mbpsになる。

配置構成210はeNB 102の中で３セクタそれぞれが75Mbpsの通信能力を備えた３セクタ基地局 208と、３セクタのうちの１つのセクタ210に75Mbpsの通信能力を備えたUE 202、206が集中して配置される場合であり、３セクタ基地局 208のアクセス回線209へ割り当てる帯域は75Mbpsになる。アクセス回線209もアクセス回線203と同じく図１において３セクタ基地局 208であるeNB 102からP-GW 105までの通信経路である。

配置構成211は配置構成210と同じ３セクタ基地局 208とUE 202、206であるが、75Mbpsの通信能力を備えたUE 202、206が２つの異なるセクタ210、211にそれぞれ配置されており、３セクタ基地局 208のアクセス回線209へ割り当てる帯域は150Mbpsになる。

このように、eNB 102がオムニセクタ基地局 201の場合は、eNB 102の通信能力とセクタ内に配置されたUE 101の機種などに応じてeNB 102のアクセス回線203へ帯域を割り当てる。また、eNB 102が複数のセクタを備えた３セクタ基地局208などの場合は、eNB 102のどのセクタにUE 101が配置されるかと、それぞれ配置されたUE 101の機種などに応じてeNB 102のアクセス回線209へ帯域を割り当てる。そして、UE 101の配置の変化に応じて帯域を割り当てることにより、最適な帯域を割り当てることができる。

図３は複数のオムニセクタ基地局 201へ帯域の割り当てる構成の例を示す図である。図２では１つのeNB 201とUE 101との関係に応じて帯域を割り当てたが、図１に示したとおり複数のeNB 102(複数のオムニセクタ基地局 201のみならず複数の３セクタ基地局 208なども含む)を１つのP-GW 105経由でサービスネットワーク108へ接続するため、図３においてはP-GW 105がオムニセクタ基地局 201それぞれへ帯域を割り当てる。３つのオムニセクタ基地局 201のそれぞれには75Mbpsの通信能力を備えたUE 202あるいは150Mbpsの通信能力を備えたUE 205のいずれかが配置されて接続され、それぞれがアクセス回線203を経由してP-GW 105と通信する。ここで、ルータ／スイッチ107やS-GW 104により物理的なアクセス回線は１本にまとめられるが、論理的なアクセス回線は独立しており、P-GW 105の動作により図１２に基づいて後で説明するようにeNB 102毎あるいはUE 101毎などに帯域を割り当てることができる。

図４はP-GW 105、PCRF 109、eNB DB 111、UE DB 112のそれぞれが備える情報の関係を示した図である。P-GW 105においてeNB 102の通信能力を把握し、通信中のUE 101の通信能力と、当該UE 101が配置されて接続されることにより通信中となっている、すなわち収容されているeNB 102とを管理することで、eNB 102毎に必要な帯域を推定することにより、eNB 102毎にトラフィックを管理する。

無線アクセスネットワーク106に設置されたeNB 102の情報を格納したeNB DB 111中の基地局情報テーブル401は、P-GW 105がeNB 102の通信能力の情報を取得するのに利用するものである。UE 101の通信能力を格納したUE DB 112中の移動端末機種情報テーブル402はUE 101の機種毎の情報のテーブルである。eNB DB 111とUE DB 112とはデータベースとして独立して設置し、図１５に基づいて後で説明するように複数のP-GW 105からアクセス可能な配置にしても良いし、P-GW 105に内蔵されても良い。移動端末管理テーブル403はP-GW 105にてUE 101の通信能力や収容されているeNB IDなどを保持しているテーブルであり、セクタ別周波数帯管理テーブル404はP-GW 105がeNB 102のセクタ毎に通信に必要帯域を把握するために管理しているセクタ毎のテーブルである。基地局別通信帯域管理テーブル405はセクタ別周波数帯管理テーブル404を元に、同じeNB 102に属するセクタについて通信帯域を集約することによりeNB 102との通信に必要な帯域と帯域制御に利用するキュー情報のテーブルである。

図５はeNB 102の情報を格納したeNB DB 111で管理している基地局情報テーブル401の例であり、基地局ID 501は例えばLTEではGlobal eNB IDあるいはセクタのIDまでを含めた識別子のECGI(Enhanced Cell Globl ID)に相当する。セクタ数502はeNB 102内のセクタ数であり、CAフラグ503はeNB 102が異なるバンド帯を束ねて通信を行うCAが利用可能か否かを示すフラグである。周波数帯1 504はeNB 102がサポートしている第１の周波数帯(チャネル番号)の情報であり、周波数幅1 505は周波数帯1 504の第１の周波数帯の中で利用可能な周波数幅(MHz)であり、周波数帯2 506はeNB 102がサポートしている第２の周波数帯(チャネル番号)の情報であり、周波数幅2 507は周波数帯2 506の第２の周波数帯の中で利用可能な周波数幅(MHz)である。周波数帯と周波数幅はさらに多く設けても良い。なお、基地局ID 501にセクタのIDまで含めない場合、周波数幅1 505や周波数幅2 507の幅をセクタ数502の数で均等に分けるような値にしても良いし、セクタ数502の数のセクタそれぞれへ割り当てる値にしても良い。

図６は、UE 101の通信能力を格納したUE DB 112で管理していているUE 101の機種毎の移動端末機種情報テーブル402の例であり、TAC 601はUE 101の機種を示すIDであり、IMEI(International Mobile Equipment Identifier)中のTAC(Type Approval Code)などを利用する。CAフラグ602はUE 101が異なるバンド帯を束ねて通信を行うCAが利用可能か否かを示すフラグである。周波数帯1 603はUE 101がサポートしている第１の周波数帯(チャネル番号)の情報であり、周波数幅1 604は周波数帯1 603の中の第１の周波数帯で利用可能な周波数幅(MHz)であり、周波数帯2 605はUE 101がサポートしている第２の周波数帯(チャネル番号)の情報であり、周波数幅2 606は周波数帯2 605の中で利用可能な無線帯域幅(MHz)である。

図７はP-GW 105に収容しているUE 101を管理するための移動端末管理テーブル403の例である。IMSI 701はUE 101のユーザIDであってSIM(Subscriber Identity Module)カードに格納されているIDであり、IMEI 702はユーザが利用しているUE 101の識別番号である。状態703はUE の状態であって無線リソースを開放しているIDLE状態であるか接続しているCONNECTED状態であるかを示し、基地局ID 704はCONNECTED状態のUE 101を収容しているeNB 102のIDであり、例えば図５の基地局ID 501と同じくECGIのeNB 102を示す部分を格納している。セクタID 705はCONNECTED状態のUE 101を収容しているeNB 102のセクタのIDであり、例えばECGIのセクタを示す部分を格納している。TAC 706はUE 101の機種を示すIDであって、例えば図６のTAC 601と同じくIMEI の中のTACを格納しておく。最大通信帯域707はUE 101を利用するユーザに許可された最大通信帯域である、契約やサービスグレードなど移動体通信サービスとしてユーザに制限がある場合の通信帯域を示すものであり、ユーザが移動通信サービスに接続してきた場合に、PCRF 109から通知される値などに基づいて決まる。なお、UE 101で実行するアプリケーションに応じた通信帯域を設定しても良い。

図８は、P-GW 105内で管理しているセクタ別周波数帯管理テーブル404の例である。基地局ID 801はeNB 102のIDであり、セクタID 802はeNB 102の各セクタのIDである。周波数帯1 803、周波数帯2 805はeNB102 が各セクタで通信可能な周波数帯であり、使用中周波数幅1 804、使用中周波数幅2 806はそれぞれの周波数帯1 803、周波数帯2 805で各セクタが使用していると推定される周波数幅である。

図９は、P-GW 105内で管理しているeNB 102との通信に必要な帯域と帯域制御に利用するキュー情報を含む基地局別通信帯域管理テーブル405の例である。基地局ID 901はeNB のIDであり、通信帯域902はeNB 102との通信に使用される帯域である。基地局アドレス903はeNB 102との通信に使用されるアドレスであり、例えばeNB 102のIPアドレスやeNB 102との通信に使用されるVLAＮ値、MPLSのラベル値が相当する。キュー情報904はeNB 102との通信の帯域を割り当てるのに使用されるキューの情報である。なお、通信帯域を割り当てることのできるものであればキューのどのような情報でも良いし、キュー以外の通信帯域を割り当てる構成を使用して、その通信帯域を割り当てる情報であっても良い。

図１０は、図８中のセクタ毎の使用中と推定される使用中周波数幅804、806の計算手順を示したフローチャート1001である。P-GW 105は、UE 101のハンドオフ(HO)やIDLE状態からCONNECTED状態への遷移などを機会に、図７のUE 101を管理するための移動端末理テーブル403について、eNB 102のIDである基地局ID 704やセクタのIDであるセクタID 705を更新し、以下に示す図１０の処理を行い、セクタ毎の使用中と推定される周波数幅の使用中周波数幅1 804を更新する。まず、UE 101のハンドオフやIDLE状態からCONNECTED状態への遷移など行ったセクタを選択し(1002)、該当セクタの情報がセクタ別周波数帯管理テーブル404に存在しない場合にはエントリの追加、存在する場合にはエントリの内容をクリアする(1003)。

次に、P-GW 105に収容しているUE 101を管理するための移動端末管理テーブル403から最初のUE 101のエントリを選択し(1004)、セクタ別周波数帯管理テーブル404の追加あるいはクリアしたエントリの基地局ID 801とセクタID 802が移動端末管理テーブル403で選択中の基地局ID 704とセクタID 705と一致するかを調べ(1005)、一致しない場合には次のUE 101のエントリを選択し(1014)、エントリが無ければ処理を終了する（1015)。一致した場合には、該当eNB 102で通信可能な周波数帯の情報と周波数幅を得るために、基地局情報テーブル401にアクセスする(1006)。次にP-GW 105内で管理しているセクタ別周波数帯管理テーブル404にアクセスし、該当セクタで周波数帯の情報毎に使用中と推定される周波数幅804、806の値とステップ1006でアクセスしたeNB 102の周波数幅と差分を計算することにより周波数帯の情報毎の残周波数幅を計算する(1007)。この残周波数幅が全て０の場合には、該当eNB 102で追加可能な周波数幅は無いものとして処理を終了する(1008)。

追加可能と判断された周波数帯の情報がある場合には、UE 101の機種毎の移動端末機種情報テーブル402にアクセスして、該当UE 101が通信可能な周波数帯の情報とその周波数幅を取得する(1009)。さらに、ステップ1006で取得した該当eNB 102の通信可能な周波数帯の情報と周波数幅とステップ1009で取得した周波数帯の情報とその周波数幅を比較し、共通な周波数帯の情報とその周波数幅の内で小さい方を通信可能な周波数幅として選択する(1010)。このときに、UE 101が接続してきた場合にPCRF 109から最大通信帯域などが通知されて最大通信帯域707に設定している場合には、通信可能周波数幅を最大通信帯域707にあわせて小さいものとする。次に、周波数帯の情報毎にステップ1007で計算した残周波数と、UE 101とeNB 102の間で通信可能な周波数幅とを比較して小さい値を選択し(1010)、その中で最大周波数幅の周波数帯の情報を追加可能な周波数幅として選択する(1011)。次にこの追加可能な周波数幅を、該当セクタで周波数帯の情報に使用中と推定される周波数幅（804か806の何れか)に加算する(1012)。

さらにUE 101とeNB 102がCAに対応しているかを、UE 101の移動端末機種情報テーブル402のCAフラグ602とeNB 102の基地局情報テーブル401のCAフラグ503とがCA対応可能を示す場合には他の周波数帯の情報で使用可能な周波数幅を得るために以上の動作を繰り返す(1013)。CAに未対応の場合には、移動端末管理テーブル403から次のUE 101のエントリを選択し(1014)、ステップ1005へ戻って処理を継続する。エントリがない場合には処理を終了する(1015)。

なお、ここではステップ1008にて残周波数幅が全て０となり追加可能な周波数幅の無い場合が発生する可能性もあるが、PCRF 109から通知されて設定される最大通信帯域707に基づいて予め各UE 101の通信帯域を絞ることにより残周波数幅が全て０となる可能性を減らすこともできる。また、ステップ1011にて最大周波数幅ではなく最小周波数幅の周波数帯の情報を追加可能な周波数幅として選択することにより通信帯域を絞り、残周波数幅が全て０となる可能性を減らすことなどもできる。

図１１は図１０で作成したセクタ毎の使用中と推定される周波数幅からeNB 102毎の通信帯域を求めるフローチャート1101である。P-GW 105は、UE 101のハンドオフやIDLE状態からCONNECTED状態への遷移などを機会に、図１０を用いて説明した処理の後にeNB 102へ割り当てる通信帯域を更新するために以下の動作を行う。まず、eNB 102毎のeNB 102との通信に必要な通信帯域の管理に利用している基地局別通信帯域管理テーブル405から、UE 101のハンドオフやIDLE状態からCONNECTED状態への遷移に関係したeNB 102のエントリを選択し、通信帯域902のエントリをクリアする。エントリがない場合には該当eNB 102のエントリを追加する(1102)。

次に、セクタ別周波数帯管理テーブル404をサーチし、基地局別通信帯域管理テーブル405の基地局ID 901がセクタ別周波数帯管理テーブル404の基地局ID 801と一致するかを調べる(1103)(1104)。一致した場合には、セクタ別周波数帯管理テーブル404の使用中と推定される周波数幅を合計し、周波数幅の単位で通信帯域に換算する。例えばLTEでは5MHzで37.5Mbpsに換算することができる。換算された通信帯域を基地局別通信帯域管理テーブル405の通信帯域902に加算する(1106)。このとき、通信帯域902に応じた通信帯域を割り当てるためのキュー情報904を設定しても良い。次にセクタ別通信帯管理テーブル404の次のエントリを選択し、上記の処理を繰り返す(1107)。エントリがない場合には処理を終了する(1108)。この処理によりP-GW 105はeNB 102毎に通信に必要な帯域を把握し、制御することが可能となり、eNB 102へのアクセス回線、および中継回線の帯域を適正化することが可能となる。

図１２は、P-GW 105の構成の例である。不揮発性メモリ1203はフラッシュメモリ等であり、CPU 1201で実行されるプログラムやコンフィギュレーション情報が格納され、メモリ1202は不揮発性メモリ1203からロードされたプログラムが格納されて、CPU 1201が実行時にアクセスしたり、各種テーブル403〜405が格納されたりする。インタフェース1204、1205はeNB 102やサービスネットワーク108などの他のノードからのパケットを受信してメモリ1202に格納したり、CPU 1201 で処理されたパケットを他のノードへ送信したりする際に使用される。スイッチ処理部1206はインタフェース1204から受信したパケットをメモリ1202に格納したり、CPU 1201で処理されたパケットをメモリ1202からインタフェース1204を通じて送信したりする際に利用されるP-GW 105内部の通信路である。

インタフェース1204は複数のキューを多段に備える。例えばキュー1207はeNB 102毎に設けられ、図１１のフローチャートで計算したeNB 102毎のキュー情報904の値に基づいて通信帯域を割り当てるためのキューである。キュー1208は各eNB 102に収容されるUE 101毎に設けられ、UE 101の機種や後で説明するアプリケーションなどによって決まる周波数幅などに基づいてUE 101毎に通信帯域を割り当てるためのキューである。スイッチ1209、1210はキュー1207、1208の接続関係をeNB 102とUE 101の収容関係などに基づいてパケット毎に切り替えるスイッチである。さらに、セクタ毎に通信帯域を割り当てるためにセクタ毎のキューを設ける、すなわち図１０のフローチャート1001に基づいて図８のセクタ別周波数帯管理テーブル404を作成し、セクタ毎の使用中周波数幅1 804と使用中周波数幅2 806などの値に基づいて通信帯域を割り当てるためのキューをキュー1207、1208とは別に設けることも可能であり、キュー1208の代わりに設けることも可能である。

なお、インタフェース1204の中にキュー1207、1208を設ける構成について説明したが、CPU 1201の制御によりキュー1207、1208をメモリ1202上で実現しても良いし、キュー1207、1208の一部をインタフェース1204の中に設けて、キュー1207、1208の他の部分をメモリ1202上で実現しても良い。

不揮発性メモリ1203には図４に示したeNB DB 111から基地局情報テーブル401を取得する基地局情報取得プログラム1211、UE DB 112から移動端末機種情報テーブル402を取得する移動端末情報取得プログラム1212、PCRF 109からポリシーに関する情報を取得するポリシー取得プログラム1213、図１０、１１に示した使用していると推定される周波数幅を計算して通信帯域を推定する通信帯域推定プログラム1214が格納されている。これらのプログラムはメモリ1202へロードされてCPU 1201で実行されることによりCPU 1201をそれぞれ基地局情報取得部、移動端末情報取得部、ポリシー取得部、通信帯域推定部として機能させる。なお、プログラム毎にCPU 1201の代わりに単純なCPUを設けるなどして、各プログラムを独立したハードウェアとして実現するなどしても良い。

次にUE 101がeNB 102に接続してきた場合の通信手順と通信帯域の割り当てについて図１３を用いて説明する。UE 101はサービスネットワーク108への接続要求があると、無線リンクの設定を行い（1301）、eNB 102を経由してMME 103に接続要求メッセージを送る(1302、1303)。接続要求メッセージ(1303)にはUE 101が接続要求を出したセクタのIDとしてECGIが含まれる。MME 103は接続要求メッセージを受信するとUE 101に対する認証データおよびUE 101が使用する暗号鍵に関するデータをHSS 113から取得し、UE 101の認証処理を行う（1304）。認証処理が成功するとMME 103はHSS 113にUE 101の位置登録を行ない(1305)、加入者のプロファイル情報を取得して(1306)、接続先のサービスネットワーク108および接続先のサービスネットワークのP-GW 105の情報を取得する(1306)。さらにMME 103はS-GW 104に対してサービスネットワーク108への接続点となるP-GW 105との接続を要求し（1307）、S-GW 104は受信したサービスネットワーク108への接続情報に基づいてP-GW 105へのセッション確立要求を送信する(1308)。これらの接続要求メッセージ(1307、1308)には、接続要求を行ったUE 101を収容していたセクタのID(ECGI)やUE 101のID(IMEI)やユーザID(IMSI)が含まれている。

P-GW 105は接続要求を受信すると(1308)、該当eNB 102の情報を持っていない場合は、基地局情報テーブル401からeNB の情報を取得するために、eNB 情報取得要求を送って(eNB Query)eNB 情報を格納したeNB DB 111に問い合わせ(1309)、その応答のeNB Rspにより取得する(1310)。さらに、該当UE 101の通信能力を保持していない場合には、UE 101の移動端末機種情報テーブル402から該当UE 101の通信能力を取得するために、端末通信能力取得要求(UE Query)を送って、UE 101の機種毎の通信能力を格納したUE DB 112へ問い合わせ（1311)、その応答（UE Rsp)により取得する(1312)。さらにP-GW 105は図１０のフローチャートに基づいてセクタ毎に通信中の周波数帯毎の周波数幅を推定し、さらに図１１のフローチャートに基づいてeNB 102毎の通信帯域をアップデートする(1313)。アップデートされた通信帯域は図１２中のキュー1207の帯域として設定され、以下eNB 102に向かうパケットの帯域制御が行われる。

その後、P-GW 105はセッション確立要求を受け入れると、セッション確立応答をS-GW 104へ送信する(1314)。S-GW 104はMME 103に対してセッションの確立応答を返す(1315)。MME 103はセッションの確立準備ができたことをeNB 102およびUE 101に通知するためにInitial Context Setup/Attach AcceptメッセージをeNB 102へ送信する（1316）。でeNB 102はUE 101との無線リンクの接続を確立し(1317、 1318)、Initial Context Setup ResponseメッセージをMMEへ返す（1319）。さらに、UE 101は接続が確立したことをAttach Completeメッセージで応答する（1320）。

次にUE 101が利用しているアプリケーションまたは通信サービスによってeNB 102毎に必要な通信帯域を割り当てる場合の動作を図１４に基づいて説明する。図１４はIMS( IP Multimedia Subsystem)と呼ばれる通信システムをサポートしているLTEの動作の例である。UE 101はTV電話などのアプリケーションまたは通信サービスの実施を開始する場合には、UE 101とP-CSCFと呼ばれる呼制御サーバ114に対してSIP(Session Initiation Protocol)によって通信相手への発呼を開始する(1401)。このメッセージにはSDP(Session Description Protocol)と呼ばれるセッションで利用されるCODECの情報や帯域の情報が格納されている。P-CSCF 114このメッセージを次サーバ（図示しないS-CSCF等）へ送り、その応答を待つ(1402)。P-CSCF 114は応答を受信すると(1403)、PCRF 109に対してAAR(Authentication Authorization Request)メッセージによりPCC(Policy Charging Control)ルールを通知し(1404)、AAA(Authentication Authorization Answer)で応答する(1405)。P-CSCF 114はSIP(Session Initiation Protocol)によって通信相手への発呼要求の応答メッセージをUE 101に送る(1046)。

PCRF 109はP-CSCF 114から通知されたPCCルールに基づいて、UE 101とP-GW 105に新たなベアラを作成させるための要求としてRAR(Re-Auth-Request)メッセージを送る（1407）。このメッセージには新たなベアラに必要なアプリケーションまたはサービスの通信帯域の情報が含まれている。P-GW 105はS-GW 104にベアラを作成するための要求メッセージCreate Bearer Requestを送り(1408)、S-GW 104はMME 103にCreate Bearer Requestを送る(1409)。MME 103はeNB 102およびUE 101にベアラの作成を通知するためにE-RAB Setup Req(Activated EPS bearer context request)メッセージをeNB 102へ送り(1410)、eNB 102はRRC Connection Reconfiguration(Activated EPS bearer context request)メッセージをUE 101へ送り(1411)、UE 101はeNB 102を経由して応答メッセージ(1412〜1415)を送り、MME 103はメッセージ(1409)に対する応答としてCreate Bearer ResponseをS-GW 104へ送り(1416)、S-GW 104はメッセージの送信(1408)に対する応答としてCreate ResponseをP-GW 105に送る(1417)。P-GW 105はさらにPCRF 109に対してメッセージ送信(1407)への応答としてRAA(Re-Auth Answer)メッセージを送る(1418)。

P-GW 105はさらに移動端末管理テーブル403中の最大通信速度707の該当するUE 101の欄の値に、追加したベアラで利用される通信帯域を加算することにより、UE 101としての通信帯域を計算する。ここで、キュー1208へ計算した通信帯域を割り当てるように設定しても良い。その後に、P-GW 105は図１０、図１１のフローチャートを実施し、eNB 102との通信に必要な帯域と帯域制御に利用するキューの基地局別通信帯域管理テーブル405をアップデートする。なお、アプリケーションまたは通信サービスに関する情報をDPI(Deep Packet Inspection)により通過するパケットの内容から取得しても良い。以上の処理により、UE 101が利用するアプリケーションや通信サービスに応じてeNB 102へ適切な通信帯域を割り当てることができる。

図１ではS-GW 104、P-GW 105がそれぞれ１個の例を示したが、図１５ではS-GW 104、P-GW 105をそれぞれ複数備え、協調して動作する例を説明する。図１５のネットワーク構成において、ルータ(LSR: Label Switching Router)1501は帯域保証が可能なMPLS(Multi Protocol Labeling Switch)をサポートしたルータであり、無線アクセスネットワーク1502はMPLSをサポートした無線アクセスネットワークであり、SDN(Software Defined Network) Controller 1503はS-GW 104、P-GW 105からの帯域割当要求などを受けて、LSR 1501を制御してS-GW 104、P-GW 105からeNB 102までのパス設定行うコントローラである。

P-GW 105は図１０、図１１のフローチャートを実行して、eNB 102毎の通信帯域を変更した場合には、SDN Controller 1503に対して変更されたeNB 102毎の通信帯域を通知する。SDN Controllerは複数のP-GW 105から同一のeNB 102宛に通信帯域が通知されてきた場合には、それぞれの調停を行い、変更された値とMPLSのラベル値をP-GW 105に通知する。さらに、SDN Controller 1503は無線アクセスネットワーク1502内のLSR 1501に対してパスを設定することで複数のP-GW 105間でeNB 102毎の通信帯域を確保することが可能となり、複数のP-GW 105間で負荷分散できる。

図１６は、UE 101のハンドオフやIDLE状態からCONNECTED状態への遷移などを機会に、MPLSのパスの修正を行う場合の通信手順を示したもので、1301〜1313までは図１３と同じである。P-GW 105はeNB 102毎に割り当てる通信帯域を計算すると、割り当てる通信帯域をSDN Controller 1503に送信する(1601)。SDN Controller 1503は、割り当てる通信帯域を受信するとeNB 102の通信能力情報を保持していない場合には、eNB 102の情報を格納したeNB DB 111にアクセスしてeNB 情報を取得する(1602、1603)。あるいは、eNB 102の管理システムにアクセスしてeNB 102毎の情報を取得しても良い。SDN Controller 1503はさらに複数のP-GW 105から割り当てるeNB 102へ通信帯域を管理している場合にはこれを調停し、他のeNB 102への帯域変更が必要な場合には、P-GW 105に通知すると共に、LSR 1501にもパスの帯域変更を通知する。SDN Controller 1503は要求帯域の通知があったP-GW 105に対してパスのラベルの情報と通信帯域の情報を含めて応答し(1604)、さら関係するLSR 1501に対してパスの情報を通知する(1605)。P-GW 105あるいはLSR 1501が必要に応じてLSP(Label Switching Protocol)を送信してパスを確保しても良い。その後、P-GW 105は図１３と同じ1314〜1320の通信手順となる。

101 移動端末 UE
102 基地局 eNB
103 移動管理サーバ MME
104 第１のモバイルゲートウェイ S-GW
105 第2のモバイルゲートウェイ P-GW
106 無線アクセスネットワーク
107 ルータ／スイッチ
108 サービスネットワーク
109 ポリシーサーバ PCRF
111 基地局データベース eNB DB
112 移動端末機種データベース UE DB
113 移動端末データベース、 HSS
114 呼制御サーバ、 P-CSCF
201 150Mbpsオムニセクタ基地局
202 75Mbps UE
203 オムニセクタ基地局アクセス回線
205 150Mbps UE
208 75Mbps ３セクタ基地局
209 ３セクタ基地局アクセス回線
401 基地局情報テーブル
402 移動端末機種情報テーブル
403 移動端末管理テーブル
404 セクタ別周波数帯管理テーブル
405 基地局別通信帯域管理テーブル
1501 ラベルスイッチルータ LSR
1502 MPLS無線アクセスネットワーク
1503 ソフトウェアデファインドコントローラ SDN Controller

Claims (11)

1. 複数の移動端末を接続する複数の基地局とサービスネットワークとの間に設けられるモバイルゲートウェイであって、
   前記基地局の通信能力を取得する基地局情報取得部と、
   前記移動端末の機種毎の通信能力を取得する移動端末情報取得部と、
   前記取得した基地局の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局の通信帯域を推定する通信帯域推定部と、
   前記推定した通信帯域に基づいて前記基地局に対応する通信帯域を制御する通信帯域制御部と、
   を備えたことを特徴とするモバイルゲートウェイ。
2. 前記基地局の周波数帯毎の通信能力を取得する基地局情報取得部と、
   前記移動端末の周波数帯毎の通信能力を取得する移動端末情報取得部と、
   前記取得した基地局の周波数帯毎の通信能力と前記取得した移動端末の周波数帯毎の通信能力に基づいて前記基地局の周波数帯毎に使用する周波数幅を推定する通信帯域推定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモバイルゲートウェイ。
3. 前記基地局の周波数帯毎の通信能力に応じて前記基地局と接続可能な全ての前記移動端末の前記基地局に対応する周波数帯の通信能力の合計値を計算することにより、前記基地局の周波数帯毎に使用する周波数幅を推定し、前記基地局の全ての周波数帯の前記推定した周波数幅それぞれを通信帯域に換算し、前記基地局の全ての周波数帯の前記換算した通信帯域の合計値を計算することにより、前記基地局に対応する通信帯域を推定する通信帯域推定部を備えたことを特徴とする請求項２に記載のモバイルゲートウェイ。
4. 前記基地局のセクタ毎の通信能力を取得する基地局情報取得部と、
   前記取得した基地局のセクタ毎の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局のセクタ毎に使用する周波数幅を推定する通信帯域推定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモバイルゲートウェイ。
5. 前記推定したセクタ毎に使用する周波数幅に基づいて前記セクタに対応する通信帯域を制御する通信帯域制御部を備えたことを特徴とする請求項４項に記載のモバイルゲートウェイ。
6. 前記移動端末のハンドオーバに応じて前記推定を実行する、あるいは前記移動端末のアイドル状態とコネクテッド状態との状態変化に応じて前記推定を実行する通信帯域推定部を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のモバイルゲートウェイ。
7. 前記移動端末のアプリケーションまたは通信サービスに関する通信帯域を取得するポリシー取得部と、
   前記取得した基地局の通信能力と前記取得したアプリケーションまたは通信サービスに関する通信帯域に基づいて前記基地局の通信帯域を推定する通信帯域推定部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモバイルゲートウェイ。
8. 前記移動端末におけるアプリケーションまたは通信サービスの開始に応じて前記推定を実行する通信帯域推定部を備えたことを特徴とする請求項７項に記載のモバイルゲートウェイ。
9. 前記移動端末のアプリケーションまたは通信サービスに関する通信帯域に基づいて前記移動端末に対応する通信帯域を制御する通信帯域制御部を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載のモバイルゲートウェイ。
10. 複数の移動端末を接続する複数の基地局とサービスネットワークの間に設けられるモバイルゲートウェイの制御方法であって、
    前記基地局の通信能力を取得し、
    前記移動端末の機種毎の通信能力を取得し、
    前記取得した基地局の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局の通信帯域を推定し、
    前記推定した通信帯域に基づいて前記基地局に対応する通信帯域を制御すること
    を特徴とするモバイルゲートウェイの制御方法。
11. 複数の移動端末を接続する複数の基地局と、前記複数の基地局とサービスネットワークとの間に設けられる複数のモバイルゲートウェイと、複数のモバイルゲートウェイを制御するコントローラと、を備えた無線アクセスネットワークシステムであって、
    前記複数のモバイルゲートウェイのそれぞれは、
    前記基地局の通信能力を取得する基地局情報取得部と、
    前記移動端末の機種毎の通信能力を取得する移動端末情報取得部と、
    前記取得した基地局の通信能力と前記取得した移動端末の通信能力に基づいて前記基地局の通信帯域を推定する通信帯域推定部と、
    前記コントローラの通知に基づいて前記基地局に対応する通信帯域を制御する通信帯域制御部と、を備え、
    前記コントローラは、
    前記複数のモバイルゲートウェイそれぞれの前記通信帯域推定部の推定した前記通信帯域を調停する調停部と、
    前記調停の結果の帯域を前記複数のモバイルゲートウェイそれぞれへ通知する通知部と、を備えたことを特徴とする無線アクセスネットワークシステム。

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