JP6532087B2 - 無線通信システム及びその通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムに関する。

モバイル通信は近年急速に普及しており、３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）と呼ばれる３ＧＰＰ（Third Generation Partnership Project）が策定した標準規格のセルラー無線通信システムが広く使用されている。セルラー無線通信システムによって提供されるモバイル通信サービスはライセンスバンドで運用されるのが一般的であり、周波数を使用する免許を受けた事業者が、その周波数帯を用いてモバイル通信サービスを行なう。一方で、無線通信の周波数帯にはアンライセンスバンドと呼ばれる周波数帯が用意されている。アンライセンスバンドの周波数帯は、機器が基準を満たす必要はあるが、誰でも使用可能な周波数帯という特徴がある。例えば２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯のアンライセンスバンドではＩＥＥＥ８０２．１１規格の無線ＬＡＮ等が広く使用されている。

モバイル通信トラフィックはスマートフォン等の普及により急速に増加し続けており、将来的にはモバイル事業者が割り当てられたライセンスバンドだけでは周波数が不足する可能性がある。このためモバイル通信において、アンライセンスバンドでもＬＴＥを運用する方式が検討されている。例えば３ＧＰＰで検討されているＬＡＡ（Licensed Assisted Access）（先行技術文献１）がその一例である。ＬＡＡはライセンスバンドと５ＧＨｚ帯のアンライセンスバンドをＵＥ（端末、User Equipment）と基地局（ｅＮｏｄｅＢ）間で同時に使用する技術であり、ライセンスバンドでの通信経路があることが前提で、その帯域に追加する形で、アンライセンスバンドをＬＴＥによる下り方向の通信に利用する技術である。この技術をベースとして、ＭｕｌｔｅＦｉｒｅと呼ばれる技術がＭｕｌｔｅＦｉｒｅ Ａｌｌｉａｎｃｅ（http://www.multefire.org/）で提案されており、アンライセンスバンド単独でＬＴＥサービスを行なうことができるようにする技術となる予定である。ＬＡＡがライセンスバンドとの統合利用を必須としているのに対し、ＭｕｌｔｅＦｉｒｅはアンライセンスバンド単独で利用でき、また、下り方向だけでなく、上り／下り方向の両方で利用することができる。このため、例えばライセンスバンドの免許を持たない通信事業者がＬＴＥに準拠したモバイル通信サービスを提供できる等のメリットがあり、今後の実用化が期待されている。

ＭｕｌｔｅＦｉｒｅはアンライセンスバンドでモバイル通信を提供可能であり、誰でも設備を準備すればモバイル通信を実現できる。しかしながら、ＭｕｌｔｅＦｉｒｅは基本的にはＬＴＥの規格に準拠しアンライセンスバンドで使用するものであるため、ＭｕｌｔｅＦｉｒｅのネットワーク側の設備としては、基地局以外にモバイルコアネットワークの装置が必要である。ＬＴＥではこれらの装置はＥＰＣ（Enhanced Packet Core）（先行技術文献２）と呼ばれる。ＥＰＣは複数の機能群から構成され、ＵＥの認証や移動管理、ポリシー制御等の機能を提供するものである。ＥＰＣの構成要素として、ＨＳＳ（Home Subscriber Server）はＬＴＥのＵＥの認証を行なうための加入者情報を格納する。ＭＭＥ（Mobility Management Entity）はＵＥの移動管理の制御を行なう。Ｓ−ＧＷ（Serving Gateway）， Ｐ−ＧＷ（PDN Gateway）は連携して動作することでＵＥが移動した際のトラフィックのハンドオーバの機能を担う。またＰＣＲＦ（Policy and Charging Rules Function）はＱｏＳ等のポリシー制御の機能を提供する。

3GPP, TR 36.889 V13.0.0 (2015-06), Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum; (Release 13) 3GPP, TS 23.401 V13.6.1 (2016-03), Technical Specification Group Services and System Aspects; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 13)

ＭｕｌｔｅＦｉｒｅの基地局はコアネットワークとしてＥＰＣの機能が存在する前提で動作するため、使用するためにはＥＰＣを用意する必要がある。従って、例えば無線ＬＡＮのように基地局単体で動作することができない。ＥＰＣは比較的大規模にＬＴＥのモバイルサービスを提供することが前提のものであり、その設備を準備するにはコストが課題となる。また、ＥＰＣは基本的に単一の事業者ネットワーク内で使用することが想定されたものであり、その事業者のネットワーク内でＵＥの移動管理等の機能を提供し、インターネットへのアクセスはＰ−ＧＷに集約された構成を取る。しかしＭｕｌｔｅＦｉｒｅのユースケースとしては、自由に設置できる利点を活かし、様々ネットワーク回線を使用して自由に設置することが考えられる。このようなユースケースでモバイルサービスの提供を行なう場合、ＥＰＣ機能をインターネット上のクラウドサーバ上に配備し、あらゆる回線に接続された基地局を収容することが考えられるが、そうした場合にはＥＰＣのＰ−ＧＷがユーザデータのアンカーポイントとなり、通信トラフィックが集約されるため、輻輳等のボトルネックが生じる問題や、アンカーポイント経由でインターネットアクセスを行なうため遅延も増大するという課題がある。

このように、様々なネットワークに接続され、ユーザが自由に設置するＭｕｌｔｅＦｉｒｅの基地局を収容するＥＰＣをネットワーク上に配備する場合に、ＥＰＣをクラウドサーバ上に配備することが考えられるが、通常のＥＰＣではトラフィックの集中により、ボトルネックが生じる可能性があり、また、ＥＰＣが高コストとなる課題がある。

上記目的を達成するために、本願発明は、無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムであって、前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備し、前記ゲートウェイ機能部は、インターネットを介したＶＰＮ（Virtual Private Network：仮想プライベートネットワーク）を形成するＶＰＮ機能部を備え、複数の無線基地局間を接続する暗号化通信経路をインターネット上にメッシュ状に形成することにより各無線基地局が収容された仮想閉域ネットワークを形成することを特徴とする。

本発明によれば、無線基地局によりモバイル通信サービスを提供する際のネットワーク側のコアネットワーク機能の配備を簡易かつ低コストで実現でき、また、コアネットワークにトラフィックを集中させることなく、自律分散的にモバイルネットワークを形成することが可能となる。また、本発明ではユーザ端末への機能変更は必要無く、ネットワーク側装置により機能を提供することができる。

本発明に係る無線通信システムのトポロジを示す図 ＬＴＥのトポロジを示す図 本発明の一実施形態に係る無線基地局の構成図 本発明の一実施形態に係るＭＭＥの構成図 本発明の一実施形態に係るＨＳＳの構成図 本発明の一実施形態に係るＨＳＳにおけるＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢの管理情報の一例 本発明の一実施形態に係るＨＳＳにおける無線基地局管理ＤＢの管理情報の一例 無線基地局がモバイルネットワークに接続される場合のシーケンス図 無線基地局がモバイルネットワークから削除される場合のシーケンス図 モバイルネットワークへのＵＥの帰属手順を示すシーケンス図 モバイルネットワークからのＵＥの帰属解除手順を示すシーケンス図 異なる無線基地局配下に接続されたＵＥ間での通信を開始する際のシーケンス図

本発明の一実施の形態に係る無線通信システムについて図面を参照して説明する。本実施の形態に係る無線通信システムは、ＬＴＥやそれに類する無線通信システムであって、クラウドサーバ上にＥＰＣのＣ−Ｐｌａｎｅ（Control Plane）の処理機能である（ＨＳＳ，ＭＭＥ，ＰＣＲＦ）を配備するとともに、基地局内にＥＰＣのＳ−ＧＷ／Ｐ−ＧＷのＵ−Ｐｌａｎｅ（User Plane）機能を配備する。

図１に本発明に係る無線通信システムのトポロジを示す。図１の各無線基地局１００は、ＬＴＥ規格の基地局であるｅＮｏｄｅＢの機能と、Ｐ−ＧＷ，Ｓ−ＧＷが統合された機能配備となっている。本発明では、各基地局１００内にＰ−ＧＷ，Ｓ−ＧＷの機能を配備することで、一つの基地局１００が一つのＰ−ＧＷ，Ｓ−ＧＷ相当の機能を持つ。全ての基地局１００は、インターネット３００のクラウドサーバ上に設置されたＥＰＣ２００と接続し、Ｃ−Ｐｌａｎｅの信号を送受信する。全ての基地局１００がＰ−ＧＷを持つことにより、全体としてはマルチＰ−ＧＷ構成となる点が特徴である。ここで、クラウドサーバに配備された、すなわちインターネット３００上に配備されたＥＰＣ２００の機能部としては、少なくともＭＭＥ２１０とＨＳＳ２２０を含む。

一方、比較対象として、図２に標準的なＬＴＥシステムのトポロジを示す。基本的にＬＴＥ規格ではＰ−ＧＷはＰＤＮ（Packet Data Network）への接続点に対して１箇所設けられるため、Ｐ−ＧＷが配下のモバイルネットワークに対してインターネットへのアクセスの経路を提供する。従ってＰ−ＧＷは１つの管理されたモバイルネットワークに対して、１箇所等、ごく少数の配備がなされることが一般的である。

図３に本実施の形態における無線基地局の機能構成図を示す。無線基地局１００は、ＬＴＥのＰ−ＧＷ機能に相当するＰ−ＧＷ機能部１２１、およびＳ−ＧＷ機能に相当するＳ−ＧＷ機能部１２２を具備し、また標準のＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ機能に相当するｅＮｏｄｅＢ機能部１１０を具備する。更に、無線基地局１００は、暗号化経路設定機能部１３０を備える。この暗号化経路設定機能部１３０により、図２に示すように、各基地局１００間での暗号化経路をインターネット３００上に設定し、閉域のネットワークを形成する。この暗号化経路設定機能の実装例としては、例えばＩＰｓｅｃやＰＰＴＰ（Point to Point Tunneling Protocol）、ＳＳＬ（Secure Socket Layer）技術等の機能によるインターネットＶＰＮ機能である。

図４に本技術におおけるＭＭＥの機能構成を示す。ＭＭＥ２１０は、ＬＴＥの標準的なＭＭＥの機能部２１１に加えて、基地局間接続管理部２１２とＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理部２１３とを備える。

図５にＨＳＳの機能構成を示す。本発明のＨＳＳ２２０はＬＴＥの標準的なＨＳＳの機能部２２１に加えて、ＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢ（Data Base）２２２、および無線基地局認証管理ＤＢ２２３を備える。

図６にＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢの構成例を示す。図６に示すように、ＵＥは、帰属先の無線基地局１００のＰ−ＧＷ機能部１２１を識別するＩＤ及びそのＩＰアドレスにより、現在の帰属先をデータベースで管理される。

図７に無線基地局認証管理ＤＢにおける管理情報の例を示す。図７に示すように、無線基地局１００は、それぞれの基地局１００が持つＰ−ＧＷ機能部１２１の識別ＩＤ（Ｐ−ＧＷ ＩＤ）とその基地局１００を、本発明が構成するモバイルネットワークへの接続を認証するための認証情報、および、モバイルネットワークへの登録状況と、基地局間の暗号化経路の設定状況を管理するデータベースにより管理される。

図８に本発明の無線基地局がモバイルネットワークに接続される場合のシーケンスを示す。無線基地局１００は、インターネット回線に接続され、インターネット３００上にあるＥＰＣ２００へのアクセスが可能となると、自身の識別子であるＰ−ＧＷ ＩＤを含んだ登録要求を行なう（ステップＳ１）。

ＥＰＣ２００内では、ＭＭＥ２１０の基地局間接続管理部２１２が登録要求を受信し（ステップＳ２）、ＨＳＳ２２０の無線基地局認証管理ＤＢ２２３に対して認証要求を行なう。ＨＳＳ２２０は、Ｐ−ＧＷ ＩＤからその基地局の認証情報を参照し（ステップＳ３）、無線基地局１００と認証処理を行なう（ステップＳ４）。ＨＳＳ２２０は、認証が成功した場合、登録を許可し、無線基地局認証管理ＤＢ２２３に登録を行なう（ステップＳ５〜Ｓ７）。登録された無線基地局１００はＭＭＥ２１０の基地局間接続管理部２１２に登録したモバイルネットワークに既に登録されている基地局リストを要求する（ステップＳ８）。ＭＭＥ２１０は、ＨＳＳ２２０の無線基地局認証管理ＤＢ２２３から情報を取得し（ステップＳ９，Ｓ１０）、Ｐ−ＧＷのＩＰアドレスを含んだ基地局のリストを回答する（ステップＳ１１）。その基地局のＩＰアドレス情報を用いて、無線基地局１００は各基地局に対して、暗号化経路の設定を行なう（ステップＳ１２）。各基地局との暗号化経路の設定結果はＭＭＥ２１０に通知され（ステップＳ１３，Ｓ１４）、ＨＳＳ２２０の無線基地局認証管理ＤＢ２２３に格納される（ステップＳ１５）。

図９に本発明の無線基地局がモバイルネットワークから削除される場合のシーケンスを示す。離脱する無線基地局１００は、ＭＭＥ２１０の基地局間接続管理部２１２に対して自身のＰ−ＧＷ ＩＤを含んだ削除要求を送信する（ステップＳ２１）。ＭＭＥ２１０はＨＳＳ２２０の無線基地局認証管理ＤＢ２２３の登録内容を変更し、帰属を削除する（ステップＳ２２，Ｓ２３）。その後完了結果を通知する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。尚、本手順は基地局１００からの要求があった場合を例示したが、一定時間無線基地局１００の生存が確認できない場合に自律的にＭＭＥ２１０の基地局間接続管理部２１２が無線基地局認証管理ＤＢ２２３の登録を変更することもあり得る。

図１０に本発明のモバイルネットワークへのＵＥの帰属の手順を示す。ＵＥ１０は通常のＬＴＥの手続きと同様に無線接続、認証処理を行い、モバイルネットワークへのアタッチを行なう（ステップＳ３１〜Ｓ３５）。このアタッチ処理において、ＭＭＥ２１０のＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理部２１３は、ＨＳＳ２２０のＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢ２２２に対して、帰属先Ｐ−ＧＷの情報を格納する（ステップＳ３６〜Ｓ３８）。

図１１に本発明のモバイルネットワークへのＵＥの帰属解除の手続きを示す。ＵＥ１０は通常のＬＴＥの手続きと同様にデタッチ処理を行う（ステップＳ４１〜Ｓ４３）。このデタッチ処理において、ＭＭＥ２１０のＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理部２１３はＨＳＳ２２０のＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢ２２２に対して、帰属先Ｐ−ＧＷの情報変更を指示し、帰属の解除を行なう（ステップＳ４４）。

図１２に本発明のモバイルネットワークにおいて、異なる無線基地局配下に接続されたＵＥ間での通信を開始する際の手順を示す。ここでの通信の開始とは、例えば電話番号による音声通話の発呼、もしくは相手先ＩＰアドレスへのパケットの送信を意味する。

無線基地局１００＃１に帰属しているＵＥ１０＃１は無線基地局１００＃２に帰属しているＵＥ１０＃２に通信を開始する場合、無線基地局１００＃１に対して発呼の要求を行なう（ステップＳ５１）。ここで無線基地局１００＃１と＃２の間は基地局間において暗号化経路は設定済みとする（ステップＳ５０）。

無線基地局１００＃１はＵＥ１０＃２の帰属先のＰ−ＧＷのＩＰアドレスをＥＰＣに問い合わせるため、ＭＭＥ２１０のＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理部２１３に対して問い合わせを行なう（ステップＳ５２）。ＭＭＥ２１０はＨＳＳ２２０の帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢ２２２および無線基地局認証管理ＤＢ２２３を参照し、ＵＥ１０＃２の帰属先Ｐ−ＧＷのＩＰアドレスを取得し回答する（ステップＳ５３〜Ｓ５６）。

その情報を用いて、無線基地局１００＃１は無線基地局１００＃２に対して発呼を行い（ステップＳ５７）、無線基地局１００＃２がＵＥ１０＃２に対して呼び出しを行い発呼を通知することでＵＥ間の通信を開始する（ステップＳ５８）。

以上、本発明の一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ＭＭＥ２１０及びＨＳＳ２２０をクラウドサーバに配備する形態としたが、インターネット３００に設置するのであればその配備形態は不問である。

また、上記実施の形態では、無線基地局１００内においてＰ−ＧＷ機能部１２１とＳ−ＧＷ機能部１２２をそれぞれ個別に実装したが、両機能部を１つのＰ／Ｓ−ＧＷ機能部として一体に実装するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ＭｕｌｔｅＦｉｒｅのようなアンライセンスバンドのＬＴＥ基地局について詳述したが、ライセンスバンドを使用する無線基地局でも本発明を実施することできる。

１００…無線基地局
１１０…ｅＮｏｄｅＢ機能部
１２１…Ｐ−ＧＷ機能部
１２２…Ｓ−ＧＷ機能部
１３０…暗号化経路設定機能部
２００…ＥＰＣ
２１０…ＭＭＥ
２１１…標準ＭＭＥ機能部
２１２…基地局間接続管理部
２１３…ＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理部
２２０…ＨＳＳ
２２１…標準ＨＳＳ機能部
２２２…ＵＥの帰属先Ｐ−ＧＷ管理ＤＢ
２２３…無線基地局認証管理ＤＢ
３００…インターネット

Claims (5)

1. 無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムであって、
   前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、
   前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備し、
   前記ゲートウェイ機能部は、インターネットを介したＶＰＮ（Virtual Private Network：仮想プライベートネットワーク）を形成するＶＰＮ機能部を備え、
   複数の無線基地局間を接続する暗号化通信経路をインターネット上にメッシュ状に形成することにより各無線基地局が収容された仮想閉域ネットワークを形成する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末が帰属する無線基地局内のゲートウェイ機能部の識別情報と該ゲートウェイ機能部のＩＰアドレスとを対応づけてユーザ端末の位置を管理する端末位置管理機能部を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記無線通信システム内の各機能部はＬＴＥ（Long Term Evolution）で規定された機能及びインタフェースを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。
4. 前記無線アクセス機能部は、無線アクセス機能を提供するｅＮｏｄｅＢの機能及びインタフェースを有し、
   前記ゲートウェイ機能部は、少なくともＰＤＮ（Packet Data Network）−Ｇａｔｅｗａｙの機能及びインタフェースを有し、
   インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、少なくとも、ＭＭＥ（Mobility Management Entity）の機能及びインタフェースと、ＨＳＳ（Home Subscriber Server）の機能及びインタフェースを有する
   ことを特徴とする請求項３記載の無線通信システム。
5. 無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムにおけるユーザ端末間の通信方法であって、
   前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、
   前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備し、
   インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末が帰属する無線基地局内のゲートウェイ機能部の識別情報と該ゲートウェイ機能部のアドレス情報とを対応づけてユーザ端末の位置を管理する端末位置管理機能部を備え、
   前記ゲートウェイ機能部は、インターネットを介したＶＰＮ（Virtual Private Network：仮想プライベートネットワーク）を形成するＶＰＮ機能部を備え、
   複数の無線基地局間を接続する暗号化通信経路をインターネット上にメッシュ状に形成することにより各無線基地局が収容された仮想閉域ネットワークを形成し、
   インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末から発呼があった場合に前記端末位置情報管理部を参照して相手先ユーザ端末が帰属するゲートウェイ機能部のＩＰアドレスを発呼元ユーザ端末が帰属する無線基地局に通知し、無線基地局は通知されたＩＰアドレスに対して前記暗号化通信経路を介して相手先ユーザ端末への発呼を行う
   ことを特徴とする無線通信システムにおける通信方法。

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