JP6425253B2

JP6425253B2 - コアネットワーク分散型無線通信システム及びそのコネクション制御方法

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Publication number: JP6425253B2
Application number: JP2016022191A
Authority: JP
Inventors: 弘実平井; 松本　実; 実松本; 琢也東條; 直樹高谷
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-02-08
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2036-02-08
Also published as: JP2017143350A

Description

本発明は、コアネットワーク分散型の移動体無線通信システムに関する。

移動体無線通信システムにおいて、移動体端末に対してミリ秒オーダの低遅延性が要求条件となるサービスを提供する場合、既存のモバイルコア集約型アーキテクチャでは、伝送路距離がボトルネックとなる。そこで、モバイルコアを端末に近づけるモバイルコア分散型アーキテクチャが提案されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。

モバイルコア分散型アーキテクチャには、端末移動時のコネクションの扱い方として、ＤＭＭ（Distributed Mobility Management）（非特許文献２参照）と、３ＧＰＰＬＩＰＡ／ＳＩＰＴＯ（Local IP Access / Selected IP Traffic Offload）（非特許文献３参照）の２種類がある。

ＤＭＭでは、端末がＰ−ＧＷ（PDN Gateway）のカバレッジエリアを跨ぐ移動をすると、アンカポイントであるＰ−ＧＷが固定されたままコネクションがハンドオーバされるため、伝送路距離が延長し、遅延条件が満たせなくなり、低遅延通信を継続することができない。

ＬＩＰＡ／ＳＩＰＴＯの仕様では、端末がローカルＰ−ＧＷのカバレッジ外に出ると、ＭＭＥ（Mobility Management Entity）がコネクションを切断する。そして、端末は移動先で再Ａｔｔａｃｈ要求を行うため、アンカポイントが移動先のセルを収容するＰ−ＧＷに切り替わるので、移動先でも低遅延通信を享受できる。

Wolfgang Hahn, "Flat 3GPP Evolved Packet Core", Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), 14th International Symposium, 2011 Zuniga, J.C, 他5名,"Distributed mobility management: A standards landscape", Communications Magazine, IEEE, vol.51, no.3, pp.80-87, March 2013 "Local IP Access and Selected IP Traffic Offload (LIPA-SIPTO)", 3GPP TR 23.829, 3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Services and System Aspects, 2011-10

上述のように、モバイルコア分散型アーキテクチャであっても、ＬＩＰＡ／ＳＩＰＴＯによるコネクション管理方法では、移動先でも低遅延通信を行うことができる。しかし、端末がＰ−ＧＷのカバレッジを跨いで移動する時、コネクションを再確立するために、通信が途切れてしまうという課題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コアネットワーク分散型無線通信システムにおいてユーザ端末が移動しても通信遮断時間の短いシステム及びコネクション制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明は、ユーザの無線端末と、所定の収容エリア内において無線端末を収容する複数のコアネットワークを備えたコアネットワーク分散型無線通信システムにおいて、コアネットワークの収容エリアを周縁部であるか中央部であるかを示す位置情報と、周縁部において当該周縁部に隣接する他の収容エリアにおける無線端末の接続先情報とを関連づけて記憶した位置情報記憶手段を備え、無線端末が第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは第１のコアネットワークを経由した第１のコネクションを形成するとともに、第１のコアネットワークの収容エリア内の周縁部に滞在しているときは、前記接続先情報を参照して第１のコアネットワークの収納エリアに隣接する収納エリアを有する第２のコアネットワークを経由した第２のコネクションを形成するよう制御するコネクション制御手段とを備え、無線端末は、第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは前記第１のコネクションを用いてデータ通信を行うとともに、第１のコアネットワークの収容エリアから第２のコアネットワークの収容エリアに移動すると、前記コネクション制御手段により予め形成されている第２のコネクションを用いてデータ通信を行うコネクション切替手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ユーザ端末に対してミリ秒オーダの低遅延サービスを提供する場合、ユーザ端末が収容エリアを跨いだ時であっても、アクティブなコネクションが予め用意されているので、コネクションハンドオーバによる遅延時間増大を避けて、コネクション再確立にかかる通信遮断時間を短縮して、低遅延通信サービスを継続できるようになる。

本発明の移動体無線通信システムの基本構成を説明する構成図セル情報の一例本発明の移動体無線通信システムの基本動作を説明する構成図ユーザ端末におけるコネクション管理フローチャート第１の実施の形態に係る移動体無線通信システムを説明する構成図センタエリアからエッジエリアに移動する際のシーケンス図収容エリアを跨ぐ際のシーケンス図第２の実施の形態に係る移動体無線通信システムを説明する構成図セル情報の一例センタエリアからエッジエリアに移動する際のシーケンス図

まず、本発明に係る移動体無線通信システムの基本概念について図面を参照して説明する。図１は、移動体無線通信システムの基本構成を説明する構成図である。

本発明に係る移動体無線通信システムは、モバイルコア分散型アーキテクチャを採用したものであり、図１に示すように、複数のモバイルコア網１００ａ，１００ｂを階層型ではなく互いに対等の関係として接続したフラットネットワークアーキテクチャになっている。また、本発明に係る移動体無線通信システム１は、各モバイルコア網１００ａ，１００ｂと通信可能な移動管理機能部３００を備えている。移動管理機能部３００は、移動体無線通信システム１においてユーザ端末１０の端末の位置登録・呼出・基地局間ハンドオーバなどの管理を行うノードである。

各モバイルコア網１００ａ，１００ｂ内は、少なくとも、移動体無線通信システム１の外部ネットワークであるＰＤＮ（Packet Data Network）１５０ａ，１５０ｂと接続するゲートウェイ装置１１０ａ，１１０ｂを備えている。なお、以下の説明では、説明の便宜上、モバイルコア網１００ａ，１００ｂを区別することなく説明する場合、単に「モバイルコア網１００」と称することにする。複数個登場する他の構成要素についても同様とする（例えば、ゲートウェイ装置１１０）。

ここで、モバイルコア網１００内のゲートウェイ装置１１０に論理的に紐付くセル群をまとめて収容エリア２００と定義する。セルはモバイルコア網１００内の無線基地局により形成される電波の届く範囲であり、セル識別子により識別される。あるゲートウェイ装置１１０ａに論理的に紐付く収容エリア２００ａと、あるゲートウェイ装置１１０ｂに論理的に紐付く収容エリア２００ｂとの間を、エリア境界と定義する。ここで、あるゲートウェイ装置１１０ａに論理的に紐付くセルの範囲と、あるゲートウェイ装置１１０ｂに論理的に紐付くセルの範囲は、その周縁部において重なり合っている。ある地点がどちらの収容エリア２００に属するかは、その地点においてユーザ端末１０が所定の選択手法によりどのセルに接続するかを選択した選択結果に基づく。前記選択手法は、従来周知のものであり電波強度や安定度などに基づき選択される。以上より、２つの収容エリア２００ａ，２００ｂは、その周縁部においても「重なり合う」ことなく、「隣接」するものである。これにより、前記の「エリア境界」が定義される。

なお、説明の都合上、２つの収容エリア２００ａ，２００ｂが隣接する場合、それぞれに対応するゲートウェイ装置１１０も「隣接する」と表記する。

本発明では、前記収容エリア２００を、その周縁部であるエッジエリア２１０と、エッジエリア２１０以外の中央エリアであるセンタエリア２２０に分割する。エッジエリア２１０は、エリア境界からの距離で定めるが、この距離は提供サービスの想定するユーザ端末１０の移動速度が速いものほど長く設定する。また、エッジエリア２１０に含まれる全てのセルをエッジセルとし、それ以外のセルをセンタセルとする。ここで、あるエッジエリア２１０ａにおいては、ユーザ端末１０は、隣接するエッジエリア２１０ｂと論理的に紐付いたゲートウェイ装置１１０ｂと通信可能である点に留意されたい。本発明では、セルの位置情報（エッジ／センタ）と論理的に紐付けられるゲートウェイ装置１１０との対応関係を認識可能な情報は、セル情報記憶部４００にセル情報として記憶・管理される。セル情報記憶部４００は、移動管理機能部３００又はユーザ端末１０からアクセス可能な位置に配備されていればよく、例えば移動管理機能部３００に設ける。

セル情報記憶部４００に記憶されるセル情報の一例を図２に示す。図２に示すように、セル情報は、セル識別子と、エッジセルであるかセンタセルであるかを示す位置情報と、当該セルが収容されているゲートウェイ装置１１０ａの識別子と、前記ゲートウェイ装置１１０ａに隣接するゲートウェイ装置１１０ｂの識別子とを含む。なお、１つのセルに対して、当該セルに収容されているゲートウェイ装置１１０と隣接するゲートウェイ装置１１０ｂは複数存在する場合もある。

また、前述したように、セル情報は、セルの位置情報（エッジ／センタ）と論理的に紐付けられるゲートウェイ装置１１０との対応関係を認識可能な情報であるが、図２に示したように、セルの位置情報とゲートウェイ装置１１０との対応関係を直接的に記述する必要はない。例えば、ＰＤＮ１５０の識別情報等から該ＰＤＮ１５０に接続するゲートウェイ装置１１０の対応関係が認識可能であれば、セル情報は、セルの位置情報とＰＤＮ１５０との対応関係を含むものであってもよい。

本発明は、上記のネットワーク構成において、ユーザ端末１０が収容エリア２００を跨いで移動しても低遅延サービスを継続させるために、ユーザ端末１０の移動を予想して、移動先の収容エリア２００のゲートウェイ装置１１０に予めコネクションを確立しておくことを特徴とする。

すなわち、図３に示すように、ユーザ端末１０は収容エリア２００間を移動する前に事前にメインコネクションとは別に１つ又は複数のＰＤＮコネクションをサブコネクションとして確立しておき、エリア間移動後にＵプレーンデータを流すコネクションを切り替える。サブコネクションの形成手法については種々の形態が考えられるが、下記では第１及び第２の実施形態として説明する。

前記ユーザ端末１０は、複数のＰＤＮコネクションを確立・維持し、実際にデータ転送を行うコネクションを「メインコネクション」、データ転送は行わず維持するコネクションを「サブコネクション」として使い分ける仕組みを持つ。

また、ユーザ端末１０が収容エリア２００の隅、すなわちエッジエリア２１０に移動したことを検出すると、メインコネクションの他に、隣接する１つ又は複数の収容エリア２００に紐づく各ゲートウェイ装置１１０に対してサブコネクションを確立させる。ユーザ端末１０が収容エリア２００を跨いだことを検出すると、移動先のゲートウェイ装置１１０との間に確立させておいたサブコネクションをメインコネクションに切り替える。また、移動前のメインコネクションはサブコネクションに切り替えることにより、ユーザ端末１０が移動前のエリアに戻った場合に対応することができる。

なお、ユーザ端末１０が収容エリア２００においてエッジエリア２１０に移動したことの検出、及び、隣接するゲートウェイ装置１１０の情報、前記セル情報記憶部４００のセル情報を参照すればよい。また、ユーザ端末１０が収容エリア２００を跨いだことを検出は、従来周知のハンドオーバ手法と同様にして可能である。

図４に、ユーザ端末１０のコネクション管理フローチャートを示す。ユーザ端末１０は、電源が投入されると（ステップＳ１）、メインコネクションを確立する（ステップＳ２）。ここで、ユーザ端末１０がセル間を移動したとする（ステップＳ３）。移動先セルがエッジエリア２１０の場合、隣接エリア群に紐付いたゲートウェイ装置１１０にサブコネクションを確立する（ステップＳ４，Ｓ５）。ここで、さらにユーザ端末１０がセル間を移動したとする（ステップＳ６）。移動先が隣接する収容エリア２００の場合、移動先のエリアに紐付いたゲートウェイ装置１１０との間に確立されたサブコネクションを、メインコネクションに切り替える（ステップＳ７，Ｓ８）。前記ステップＳ３の移動の結果、移動先がエッジエリア２１０でない場合、サブコネクションがあれば切断する（ステップＳ９）。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る移動体無線通信システムについて図面を参照して説明する。図５は第１の実施の形態に係る移動体無線通信システムの構成図である。ここでは、前述した本発明の基本構成をベースにして説明するものとし、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

本実施の形態に係る移動体無線通信システムは、移動管理機能部３００がサブコネクションの確立を主導する形態である。

本実施の形態に係る移動体無線通信システム１−１は、既存のＬＴＥ（Long Term Evolution）アーキテクチャを拡張するものである。前述のゲートウェイ装置１１０は、Ｐ−ＧＷ或いはＳ／Ｐ−ＧＷ（Serving/PDN-Gateway）に相当する。前述の移動管理機能部３００はＭＭＥ（Mobility Management Entity）に相当する。ＭＭＥである移動管理機能部３００は、前述のセル情報記憶部４００と、コネクション制御部５００とを備える。セル情報記憶部４００の記憶されるセル情報は、図２を参照して説明したものと同様である。また、ユーザ端末１０は、コネクション管理機能部１１を備える。

ユーザ端末１０のコネクション管理機能部１１は、確立されているコネクションのステータスを管理するものである。また、コネクション管理機能部１１は、移動管理機能部３００からアクティベイト要求を受けたコネクションをメインコネクションとし、ディアクティベイト要求を受けたコネクションをサブコネクションとする。ユーザ端末１０は、ＰＤＮ１５０へのデータ通信はメインコネクションを使って行い、サブコネクションは使わない。また、コネクション管理機能部１１は、ユーザ端末１０がエッジエリア２１０に滞留する間は、サブコネクションを維持するが、センタエリア２２０のセルに移動すると、全てのサブコネクションをｄｅｔａｃｈする。

図６及び図７に本実施の形態に係る移動体無線通信システムの動作を説明するシーケンス図を示す。ここでは、ユーザ端末１０が、収容エリア２００ａのセンタエリア２２０ａから同エッジエリア２１０ａを経て、隣接する収容エリア２００ｂのエッジエリア２１０ｂに移動する場合について説明する。なお、図６及び図７において、実線矢印は従来のＬＴＥにおける標準シーケンスであり、点線矢印は本実施の形態を実現するために追加されたシーケンスである。

図６は、ユーザ端末１０が収容エリア２００ａのセンタエリア２２０ａから同エッジエリア２１０ａに移動する際のシーケンス図である。

図６に示すように、ユーザ端末１０がセンタエリア２２０ａ（例：：Ｃ_{１（Ｎ−１）}）からエッジエリア２１０ａ（例：Ｃ_１Ｎ）に移動すると、サブコネクション要求用ＡＰＮにＡｔｔａｃｈ要求を送る。このＡｔｔａｃｈ要求を受けた移動間管理機能部３００は、基地局のＩＰアドレスから端末の位置を確認し、移動可能な隣接エリアのゲートウェイ収容１１０ｂにコネクション確立要求を送る。これにより、ユーザ端末１０端末は隣接エリアのゲートウェイ装置１１０ｂに対してサブコネクションを確立する。なお、図６において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５はメインコネクションを対象とした処理であり、ステップＳ１０６〜Ｓ１１１はサブコネクションを対象とした処理である。

上記の処理は、以下の様にしてもよい。ユーザ端末１０がセンタエリア２２０ａ（例：：Ｃ_{１（Ｎ−１）}）からエッジエリア２１０ａ（例：Ｃ_１Ｎ）に移動すると、メインコネクションを維持しつつ、サブコネクションのＡｔｔａｃｈ要求を行う。ＰＤＮ１５０が共通である場合、ある端末が２つ目以降のＡｔｔａｃｈ要求を行った場合、移動管理機能部３００がサブコネクションの要求であることを認識し、在圏セルの隣接収容エリアのＡＰＮに対してコネクションを確立させる。本処理のシーケンスは前記処理と同じである。

図７は、ユーザ端末１０が収容エリア２００ａのセンタエリア２２０ａから隣接する収容エリア２００ｂのエッジエリア２１０ｂに移動する際のシーケンス図である。

ユーザ端末１０がエッジエリア（例：Ｃ_１Ｎ）から隣接エリア（例：Ｃ_２１）に移動すると、以下の処理を行う。移動管理機能部３００は、端末移動前のメインコネクションが移動先のゲートウェイ装置１１０ｂにハンドオーバされたことを認識すると、このコネクションをディアクティベイトし、移動先のゲートウェイ装置１１０ｂに予め確立させていたコネクションをアクティベイトするように要求する。なお、図７において、ステップＳ１５１〜Ｓ１５３は旧メインコネクションを対象とした処理であり、ステップＳ１５４〜Ｓ１５９は旧サブコネクションを対象とした処理である。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る移動体無線通信システムについて図面を参照して説明する。図８は第２の実施の形態に係る移動体無線通信システムの構成図である。ここでは、前述した本発明の基本構成をベースにして説明するものとし、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

本実施の形態に係る移動体無線通信システムは、ユーザ端末１０がサブコネクションの確立を主導する形態である。

本実施の形態に係る移動体無線通信システムは、第１の実施の形態と同様に、既存のＬＴＥアーキテクチャを拡張するものである。前述のゲートウェイ装置１１０は、Ｐ−ＧＷ或いはＳ／Ｐ−ＧＷに相当する。前述の移動管理機能部３００はＭＭＥ（Mobility Management Entity）に相当する。また、ユーザ端末１０は、コネクション管理機能部１１を備える。

本実施の形態では、それぞれの収容エリア２００ごとに、固有のＰＤＮアドレスを割り当てることを前提とする。ユーザ端末１０は、前述のセル情報記憶部４００を備え、全てのＰＤＮアドレスと対応する位置情報をセル情報として記憶する。セル情報記憶部４００に記憶されるセル情報の一例を図９に示す。図９に示すように、セル情報は、セル識別子と、エッジセルであるかセンタセルであるかを示す位置情報と、当該セルが収容されているゲートウェイ装置１１０ａに対応するＰＤＮ１５０ａの識別子及びアドレスと、前記ゲートウェイ装置１１０ａに隣接するゲートウェイ装置１１０ｂに対応するＰＤＮ１５０ｂの識別子及びアドレスとを含む。なお、１つのセルに対して、当該セルに収容されているゲートウェイ装置１１０と隣接するゲートウェイ装置１１０ｂは複数存在する場合もある。

図１０に本実施の形態に係る移動体無線通信システムの動作を説明するシーケンス図を示す。図１０は、ユーザ端末１０がＧＰＳ／セルＩＤより現在地を確認し、エッジエリアでサブコネクションを確立するまでのシーケンスである。なお、図１０において、実線矢印は従来のＬＴＥにおける標準シーケンスであり、点線矢印は本実施の形態を実現するために追加されたシーケンスである。

本実施の形態では、ユーザ端末１０は、位置情報をＧＰＳ又はセル識別子から取得し、セル情報記憶部４００に記憶されているセル情報に照らし合わせて、エッジエリア２２０ａと判定すれば（ステップＳ２０１）、隣接収容エリア２００のＰＤＮ１５０に対してＡｔｔａｃｈ要求を行い（ステップＳ２０２）、確立されたコネクションをサブコネクションとして利用する（ステップＳ２０３〜Ｓ２０７）。サブコネクションを確立している間は、定期的（０．５〜１秒間隔）にＵプレーンパスにパケットを流し、ネットワーク品質を確認する。ユーザ端末１０がエリア境界を跨ぐ時は、複数のコネクションにネットワークテストをしながら、最も品質の良いネットワークを利用することで、シームレスなモビリティを提供する。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、説明の簡単のため、エッジエリア２１０では隣接する１つの収容エリア２００のモバイルコア網１００とサブコネクションを形成する場合を説明したが、複数の異なるモバイルコア網１００とそれぞれサブコネクションを形成する場合もある点に留意されたい。

また、上記実施の形態はＬＴＥアーキテクチャをベースとしたものを説明したが、他のアーキテクチャの移動代無線通信システムであっても本発明を適用できる。

１０…ユーザ端末
１１…コネクション管理機能部
１００…モバイルコア網
１１０…ゲートウェイ装置
１５０…ＰＤＮ
２００…収容エリア
２１０…エッジエリア
２２０…センタエリア
３００…移動管理機能部
４００…セル情報記憶部
５００…コネクション制御部

Claims

ユーザの無線端末と、所定の収容エリア内において無線端末を収容する複数のコアネットワークを備えたコアネットワーク分散型無線通信システムにおいて、
コアネットワークの収容エリアを周縁部であるか中央部であるかを示す位置情報と、周縁部において当該周縁部に隣接する他の収容エリアにおける無線端末の接続先情報とを関連づけて記憶した位置情報記憶手段を備え、
無線端末が第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは第１のコアネットワークを経由した第１のコネクションを形成するとともに、第１のコアネットワークの収容エリア内の周縁部に滞在しているときは、前記接続先情報を参照して第１のコアネットワークの収納エリアに隣接する収納エリアを有する第２のコアネットワークを経由した第２のコネクションを形成するよう制御するコネクション制御手段とを備え、
無線端末は、第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは前記第１のコネクションを用いてデータ通信を行うとともに、第１のコアネットワークの収容エリアから第２のコアネットワークの収容エリアに移動すると、前記コネクション制御手段により予め形成されている第２のコネクションを用いてデータ通信を行うコネクション切替手段を備えた
ことを特徴とするコアネットワーク分散型無線通信システム。
前記コネクション切替手段は、使用コネクションを第１のコネクションから第２のコネクションに切り替えた後も第１のコネクションを維持する
ことを特徴とする請求項１記載のコアネットワーク分散型無線通信システム。
前記コネクション切替手段は、使用コネクションを第１のコネクションから第２のコネクションに切り替えた後、無線端末が第２のコアネットワークの収容エリアの中央部に移動すると第１のコネクションを破棄する
ことを特徴とする請求項２記載のコアネットワーク分散型無線通信システム。
ユーザの無線端末と、所定の収容エリア内において無線端末を収容する複数のコアネットワークを備えたコアネットワーク分散型無線通信システムにおけるコネクション制御方法であって、
コアネットワークの収容エリアを周縁部であるか中央部であるかを示す位置情報と、周縁部において当該周縁部に隣接する他の収容エリアにおける無線端末の接続先情報とを関連づけて記憶した位置情報記憶手段を備え、
コネクション制御手段が、無線端末が第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは第１のコアネットワークを経由した第１のコネクションを形成するとともに、第１のコアネットワークの収容エリア内の周縁部に滞在しているときは、前記接続先情報を参照して第１のコアネットワークの収納エリアに隣接する収納エリアを有する第２のコアネットワークを経由した第２のコネクションを形成するよう制御し、
無線端末のコネクション切替手段が、第１のコアネットワークの収容エリア内に滞在しているときは前記第１のコネクションを用いてデータ通信を行うとともに、第１のコアネットワークの収容エリアから第２のコアネットワークの収容エリアに移動すると、前記コネクション制御手段により予め形成されている第２のコネクションを用いてデータ通信を行う
ことを特徴とするコアネットワーク分散型無線通信システムのコネクション制御方法。