JP6065011B2

JP6065011B2 - 通信装置、通信方法、及び、プログラム

Info

Publication number: JP6065011B2
Application number: JP2014534156A
Authority: JP
Inventors: 彦本吉
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: WO2014038111A1; US20150249996A1; US9635675B2; JPWO2014038111A1

Description

本発明は、アトラクター選択制御に基づいて、通信資源の割り当て制御を行う通信システムを提供する。

近年、通信ネットワーク上で同時期のトラヒック集中など、トラヒックパターンの変化が急激に起こることが頻繁に発生するようになった。このような急激なトラヒックパターンの変動に対応するため、将来の新世代ネットワーク基盤を構成する方式の候補の一つとして、生物が環境変化へ適応的に動作する機構をモデル化したアトラクター選択を制御基盤とした経路制御技術が研究されている。アトラクター選択は生体系パラダイムに基づくアプローチの1つであり、生物が安定な状態（アトラクター）を形成する状態をモデル化したものである。

一般的に、古典的な制御手法では、ある環境の変化に対する対応を予め用意して、アルゴリズムとして環境の変化に対して適応させている。そのため、想定内の環境変化に対して高い精度で適応できる。一方で、想定外の環境変化に適応させることはシステムの複雑化を招き、困難である。このような問題点に対して、生物をモデル化した手法が提案されている。その手法の一つであるアトラクター選択は、ゆらぎを用いて制御するため、精度は古典的制御方法にやや劣るが、未知の環境変化に対して適応しやすいという性質を持つ。従って、このアトラクター選択を通信技術に応用したアトラクター選択制御基盤技術は、装置故障や通信品質変動のような環境変化に対して柔軟に対応できるという特長を有している。

ゆらぎ方程式は一般的に、以下の式（１）で表される。

式（１）の右辺はゆらぎ情報を示し、ηはゆらぎ項（ノイズ項）を示している。アトラクター選択は、ゆらぎ項η（ノイズ項）とアトラクターを持つ制御構造f (m)の2つの挙動を持っている。それらの挙動は、活性度αによって制御されている。αはシステムの状態を示す値である。システムの状態が劣化した場合、αが低下し、ゆらぎηの影響が相対的に大きくなる。その結果、システムの状態 m はランダムに変化する。m が変化してシステム状態が改善されると、活性度αが増加し、m はf (m)によって制御される。このような仕組みで、生物が環境変化に対応したモデルが示される。一般的なアトラクター選択の説明については、非特許文献１の第３章に記載されている。

特許文献１では、ゆらぎ方程式を用いて、環境変動に追従可能な仮想網制御方法および仮想網制御装置について記載されている。

また、非特許文献１においても、ゆらぎ方程式を用いて、環境変動に追従可能な次世代無線ネットワークが記載されている。

特開２０１１−１５５５０８号公報

G. Motoyoshi, N. Wakamiya, and M. Murata, "Future Mobile Network Management With Attractor Selection,"in proceedings of 2012 9th Annual Conference on Wireless On-Demand Network Systems and Services (WONS '12), January 2012.

上記文献で示されたゆらぎ方程式を構成するゆらぎ項（ノイズ項）は独立しており、正規分布に従った乱数を用いている。そのような構成を持つシステムは、ゆらぎ制御方程式を用いた通信インタフェース選択制御を行うにあたり、その環境変動の大きさに合わせて、人工ノイズの振幅にあたる標準偏差値をシステム設計段階で予め調整する必要がある。従って、環境変動が大きなケースと小さなケースといった広範あらゆる状況に一元的に対応することは困難である。そのため、環境変動レベルに応じたパラメータ調整が必要になり、オペレーティングコストがかかるという課題がある。

そこで、本発明は、上述した課題を解決可能な通信装置、通信方法、及び非一時的なコンピュータ可読媒体を提供することを目的とする。

一態様では、通信方法は、通信環境状態を観測して、通信環境データを生成するステップと、前記通信環境データを逐次用いて、ゆらぎ情報を生成するステップと、前記ゆらぎ情報に基づいてアトラクター選択制御して通信資源の割り当てするステップと、を含む。前記ゆらぎ情報を生成するステップは、ゆらぎ方程式を用い、そのゆらぎ情報を逐次活用したゆらぎ方程式制御をするステップを含んでいる。前記ゆらぎ情報は、前記ゆらぎ方程式内のゆらぎ項が独立的にランダムな雑音項ではなく、前記通信環境データを反映させたゆらぎ項を含んでいる。

一態様では、通信装置は、通信環境状態を観測して、通信環境データを生成するよう構成されている。また、前記通信環境データを逐次用いて、ゆらぎ情報を生成するよう構成されている。そして、前記ゆらぎ情報に基づいてアトラクター選択制御して通信資源の割り当てするよう構成されている。また、前記ゆらぎ情報を生成する構成は、ゆらぎ方程式を用い、そのゆらぎ情報を逐次活用したゆらぎ方程式制御をするよう構成されている。そして、前記ゆらぎ情報は、前記ゆらぎ方程式内のゆらぎ項が独立的にランダムな雑音項ではなく、前記通信環境データを反映させたゆらぎ項を備えるよう構成されている。

一態様では、非一時的なコンピュータ可読媒体は上述した通信方法をコンピュータに行わせるための命令群を含む。

本発明によると、ゆらぎ制御方程式を用いた通信インタフェース選択制御を行うにあたり、その環境変動の大きさに合わせて、ゆらぎ項の人工ノイズの振幅にあたる標準偏差値をシステム設計段階で調整する必要が無くなる。また、環境変動レベルに応じた、パラメータ調整が必要なくなり、オペレーティングコストを削減した通信システム基盤を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る通信システムの機能ブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る通信システムのネットワーク構成図である。本発明に係る既存通信システムの機能ブロック図である。本発明の第１の実施の形態に係る通信システムの制御フローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る通信システムのネットワーク構成図（帰属先変更前）である。本発明の第２の実施の形態に係る通信システムのネットワーク構成図（帰属先変更後）である。本発明の第２の実施の形態に係る通信システムの制御フローチャートである。

図２は、本願と併せて考案された、関連するアトラクター選択制御を基にした無線インタフェース選択制御システム構成例を示している。通信端末１１１は、複数の無線インタフェースを保有しており、例えば、無線インタフェース１１２および無線インタフェース１１３を保有していると仮定する。また、通信端末は、それぞれの無線インタフェースを通じて、複数の無線基地局との通信が可能であり、例えば、無線インタフェース１１２は無線基地局Ａ１１４経由で通信を行い、無線インタフェース１１３は無線基地局Ｂ１１５経由で通信を行うと仮定する。

通信端末は、図３に示すように、インタフェース選択制御機能を保有しており、環境変動に適応したインタフェース選択を自律的に行う。インタフェース選択制御機能部は、統計情報収集部１０１にて、その無線インタフェースでの通信トラヒックの統計情報を集計して、その集計結果を統計情報記憶部１０２に記憶する。また、人工ノイズ生成部１０７は、平均０でガウシャン分布する白色ガウス雑音に従う乱数を生成し、その生成結果を人工ノイズ記憶部１０８に記憶する。その統計情報記憶部１０２と人工ノイズ記憶部１０８に記憶された情報を活用して、ゆらぎ方程式制御部１０５は、ゆらぎ方程式を計算して、その出力結果を選択部１０６へ伝達する。その値に従って、選択部１０６がその時点で利用すべき無線インタフェースを選択する。しかし、このようなシステム構成では、環境変動を予め予測し、その大きさに合わせて、人工ノイズの振幅にあたる標準偏差値をシステム設計段階で調整する必要がある、という問題を生ずる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の通信システムは、図２のシステムと同様な構成態様をとっており、通信端末と無線基地局で構成される。通信端末１１１は、通信データを転送することが可能な端末であり、複数の無線インタフェースを保有する。例えば、無線インタフェース１１２および無線インタフェース１１３を保有しており、それぞれの無線インタフェースを通じて、複数の無線基地局との通信が可能とする。例えば、無線インタフェース１１２は無線基地局Ａ１１４経由で通信を行い、無線インタフェース１１３は無線基地局Ｂ１１５経由で通信を行うことができる。以上の部分では関連技術と同様の態様である。

一方、通信端末１１１内部は、図１に示す様な無線インタフェース選択機能を保有している。無線インタフェース選択機能部は、通信環境データ生成装置３００、ゆらぎ情報生成装置３０１および、選択部１０６にて構成される。環境データ生成装置３００は、統計情報収集部１０１、統計情報記憶部１０２を含む。ゆらぎ情報生成装置３０１は、ゆらぎ情報計算部１０３、ゆらぎ情報記憶部１０４、ゆらぎ方程式制御部１０５を含む

統計情報収集部１０１は、各無線インタフェースでの通信トラヒックの統計情報を集計して、その集計結果を統計情報記憶部１０２に記憶する。これを通信トラヒック統計情報格納処理ステップＳ１０１とする。ここで、通信トラヒックの統計情報とは、実施の通信におけるパケットロスの情報から、そのインタフェースにおける瞬時観測通信品質情報（例えば、ＢＥＲ：Bit Error Ratio）や、通信品質情報（例えば、ＳＮＲ：Signal-Noise Ratio）や利用可能な通信帯域幅情報（例えば、ＢＷ: BandWidth (帯域幅)）を計算した情報などが考えられる。式（２）はＢＥＲの計算式を表している。式（３）はＳＮＲの計算式を表している。式（４）はＢＷの計算式を表している。

ここで、erfcは、相補誤差関数(complementary error function)であり、シグモイド形状の特殊関数の一種の誤差関数erf（error function）を使って一般的に以下の式（５）（６）のように定義される。

ゆらぎ情報計算部１０３は、上記の通信トラヒック統計情報を基にして、観測データに基づくゆらぎ項η'_ｋを計算する。インタフェースｋにおけるゆらぎ項η'_ｋは、以下の式（７）で表される。瞬時観測通信品質情報ＢＥＲ_ｋから、そのインタフェースのＢＥＲ履歴の平均値μ_ｋを減算することによって、ゆらぎの平均値を０にシフトさせて、固定値パラメータＣ_ｋを乗算することによって環境変動に適応させるための振幅調整を行う。ここでパラメータＣ_ｋや通信品質情報ＢＥＲ_ｋはインタフェース毎に固有な値でも良いし、インタフェースによらず共通的な値を用いても良い。これらのように計算したゆらぎ項η'_ｋをゆらぎ情報記憶部１０４に記憶する。これをゆらぎ情報計算ステップＳ１０２とする。

ゆらぎ方程式制御部１０５は、上述の統計情報記憶部１０２とゆらぎ情報記憶部１０８に記憶された情報を活用して、以下の式（８）から（１０）で示される、ゆらぎ方程式（ここでは選択するインタフェースがＭ個ある場合の式を示している）を計算する。これをゆらぎ方程式計算ステップＳ１０３とする。その出力結果が選択部１０６へ伝達され、選択部１０６にてその時点で利用すべき無線インタフェースを選択する。これをインタフェース選択ステップＳ１０４とする。本ゆらぎ方程式は、生物制御メカニズムに立脚しており、その詳細については非特許文献１に示されている。インタフェースｋに対応するゆらぎ方程式の出力値ｍ_ｋは以下の微分方程式に従って逐次アップデートされてゆく。その出力値ｍ_ｋの中で一番大きな値をもつインタフェースｋがその環境条件において選択すべきインタフェースであることを示している。また、固定的なシステムパラメータとして、β、γ、Ｇ、Ａ、θ、Ｗ_ｉ、Ｗ_ｊがある。これらはシステム設計の段階で適値となるように調整しておく。

このゆらぎ方程式（８）は、選択しているインタフェースの確からしさがαで表現されており、αが大きい値をとる状態では、通信トラヒック統計情報に基づく制御項（ゆらぎ微分方程式の右辺の第一項と第二項）が支配的となり環境情報に基づく精緻なインタフェース選択制御が実行される。逆にαが小さい値をとる状態では、ランダムに変動するノイズ項（ゆらぎ微分方程式の右辺の第三項）が支配的となりランダムなインタフェース選択制御が実行される。

そして、本発明では、ゆらぎ項（ノイズ項）としては、独立的にランダムな雑音項ではなく、通信トラヒック統計情報を活用したゆらぎ項を生成・活用している。これによって、ゆらぎ微分方程式の右辺の第一／二項と第三項はある程度の相関をもっていることになり、環境変動の状況に相関のあるノイズ項が得られる。従って、関連するシステムでの課題となっていた、環境変動に従ってノイズ項の振幅を調整する、という作業が不要となるシステムとなっている。図４は、本発明の実施の形態について上記の説明をフローチャート化したものである。

＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、ゆらぎ制御を用いる対象のシステムとして、無線インタフェースの選択を用いたが、この制御メカニズムは、その他のシステムへ適用することも可能である。

図５にシステム構成図を示す。通信ネットワークは、複数のドメインで構成され、それぞれのドメインでは、それぞれの制御装置がそれぞれ複数の通信ノードを管理している。ドメイン境界である、基地局Ａと基地局Ｂ間を移動する通信端末が増加してくると、ドメイン間の制御信号が増加してしまうという課題がある。この課題を解決するため、ゆらぎ制御を用いて、ドメイン間ハンドオーバを行う通信端末が多い基地局や通信ノードの帰属先ドメインを変更する（クラスターを選択する）システムを提供することができる。具体例として、ノードＡ２と基地局Ａの帰属先ドメインをＡからＢへ変更した様子を図６に示す。

この帰属先ドメインの変更処理は、第１の実施の形態と同様のゆらぎ方程式に従って制御する。まず、通信環境データを取得し、記憶する（通信／制御トラヒック統計情報格納処理ステップＳ２０１）。そして、該データより、ゆらぎ情報を計算する（ゆらぎ情報計算処理ステップＳ２０２）。そして、各制御装置が自ドメインに属する通信ノードのゆらぎ方程式情報を計算するＳ２０３。そして、基地局や通信ノードの帰属先ドメインを変更するクラスターを選択する）Ｓ２０４。

本システムにおいては、ドメイン間制御信号の多さを基準とした制御を行うため、方程式出力ｍ_ｋにおけるｋはその通信ノードが帰属すべきドメインを表し、制御式Ｑは、その通信ノードを通過するユーザトラヒック量に対する制御信号トラヒックの量を用いて表すことによって、制御信号の多い通信ノードが他のドメインへ帰属するような制御を実現することが可能となる。また、図７にフローチャートを示す。

＜その他の実施の形態＞
本実施形態で述べたアトラクター選択制御に基づいて、通信資源の割り当て制御を行う通信システムは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を含む半導体処理装置を用いて実現されてもよい。また、この方法は、少なくとも１つのプロセッサ（e.g. マイクロプロセッサ、ＭＰＵ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor））を含むコンピュータシステムにプログラムを実行させることによって実現されてもよい。具体的には、フローチャート等を用いて説明されたバイアス電圧制御に関するアルゴリズムをコンピュータシステムに行わせるための命令群を含む１又は複数のプログラムを作成し、当該プログラムをコンピュータに供給すればよい。

これらのプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１２年９月７日に出願された日本出願特願２０１２−１９７１４８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０１統計情報収集部
１０２統計情報記憶部
１０３ゆらぎ情報計算部
１０４ゆらぎ情報記憶部
１０５ゆらぎ方程式制御部
１０６選択部
１０７人工ノイズ生成部
１０８人工ノイズ記憶部
１１１通信端末
１１２無線インタフェース＃１
１１３無線インタフェース＃２
１１４基地局Ａ
１１５基地局Ｂ
１１６ネットワークノードＡ１
１１７ネットワークノードＡ２
１１８ネットワークノードＢ１
１１９ネットワークノードＢ２
１２１制御装置Ａ
１２２制御装置Ｂ
３００通信環境データ生成装置
３０１ゆらぎ情報生成装置

Claims

通信環境状態を観測して、通信環境データを生成するステップと、
前記通信環境データを逐次用いて、ゆらぎ情報を生成するステップと、
前記ゆらぎ情報に基づいてアトラクター選択制御して通信資源の割り当てするステップと、
を備える通信方法であって、
前記ゆらぎ情報を生成するステップは、ゆらぎ方程式を用い、そのゆらぎ情報を逐次活用したゆらぎ方程式制御をするステップを含み、
前記ゆらぎ情報は、前記ゆらぎ方程式内のゆらぎ項が独立的にランダムな雑音項ではなく、前記通信環境データを反映させたゆらぎ項を含み、
前記通信資源の割り当てするステップが、複数ドメインで構成されている通信ネットワークの基地局や通信ノードの帰属先ドメインを変更するステップ、
を含み、
前記帰属先ドメインを変更するステップは、複数ドメインの各制御装置が自ドメインに属する通信ノードのゆらぎ方程式情報を前記ゆらぎ方程式に従って計算するステップと、
前記ゆらぎ方程式情報の計算に基づいた前記帰属先ドメインを変更する処理の制御式が、その通信ノードを通過するユーザトラヒック量に対する制御信号トラヒックの量を用いて表し、制御信号の多い通信ノードが他のドメインへ帰属する制御をするステップと、
を含む、
通信方法。
前記ゆらぎ項は、観測された通信品質情報から、そのインタフェースの前記通信品質情報の履歴の平均値を減算することによって、ゆらぎの平均値を０にシフトさせた後、一定のパラメータを乗算し、環境変動に適応させるための振幅調整を行うステップ、
を含む請求項１記載の通信方法。
通信環境状態に応じた通信環境データを取得する手段と、
前記通信環境データを逐次用いて、ゆらぎ情報を生成する手段と、
前記ゆらぎ情報に基づいてアトラクター選択制御して通信資源の割り当てする手段と、
を備えた通信装置であって、
前記ゆらぎ情報を生成する手段は、ゆらぎ方程式を用い、そのゆらぎ情報を逐次活用したゆらぎ方程式制御をする手段を備え、
前記ゆらぎ情報は、前記ゆらぎ方程式内のゆらぎ項が独立的にランダムな雑音項ではなく、前記通信環境データを反映させたゆらぎ項を備え、
前記通信資源の割り当てする手段は、複数ドメインで構成されている通信ネットワークの基地局や通信ノードの帰属先ドメインを変更する手段を含み、
前記帰属先ドメインを変更する手段は、自ドメインに属する通信ノードのゆらぎ方程式情報を前記ゆらぎ方程式に従って計算する手段と、前記ゆらぎ方程式情報の計算に基づいた前記帰属先ドメインを変更する処理の制御式が、その通信ノードを通過するユーザトラヒック量に対する制御信号トラヒックの量を用いて表し、制御信号の多い通信ノードが他のドメインへ帰属する制御をする手段とを含む、
通信装置。
前記ゆらぎ項は、観測された通信品質情報から、そのインタフェースの前記通信品質情報の履歴の平均値を減算することによって、ゆらぎの平均値を０にシフトさせた後、一定のパラメータを乗算し、環境変動に適応させるための振幅調整を行う、
請求項３に記載の通信装置。
請求項１の方法を実行する処理部を備える通信網制御装置。
請求項１または２に記載の方法をコンピュータに実行させる、プログラム。