JP6740155B2 - 無線通信システム、集中制御局および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）の稠密環境において、各無線局のＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）制御に起因するスループットの低下を改善する無線通信システム、集中制御局および無線通信方法に関する。

近年、ノートパソコンやスマートフォン等の持ち運び可能で高性能な無線端末の普及により企業や公共スペースだけではなく、一般家庭でもIEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮが広く使われるようになっている。IEEE802.11標準規格の無線ＬＡＮには、 2.4ＧHz帯を用いるIEEE802.11b/g/n 規格の無線ＬＡＮと、５ＧHz帯を用いるIEEE802.11a/n/ac規格の無線ＬＡＮがある。

IEEE802.11ｂ規格やIEEE802.11ｇ規格の無線ＬＡＮでは、2400ＭHzから2483.5ＭHz間に５ＭHz間隔で13チャネルが用意されている。ただし、同一場所で複数のチャネルを使用する際は、干渉を避けるためスペクトルが重ならないようにチャネルを使用すると最大で３チャネル、場合によっては４チャネルまで同時に使用できる。

IEEE802.11ａ規格の無線ＬＡＮでは、日本の場合は、5170ＭHzから5330ＭHz間と、5490ＭHzから5710ＭHz間で、それぞれ互いに重ならない８チャネルおよび11チャネルの合計19チャネルが規定されている。なお、IEEE802.11ａ規格では、チャネル当たりの帯域幅が20ＭHzに固定されている。

無線ＬＡＮの最大伝送速度は、IEEE802.11ｂ規格の場合は11Ｍbps であり、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格の場合は54Ｍbps である。ただし、ここでの伝送速度は物理レイヤ上での伝送速度である。実際にはＭＡＣ（Medium Access Control ）レイヤでの伝送効率が50〜70％程度であるため、実際のスループットの上限値はIEEE802.11ｂ規格では５Ｍbps 程度、IEEE802.11ａ規格やIEEE802.11ｇ規格では30Ｍbps 程度である。また、伝送速度は、情報を送信しようとする通信局が増えればさらに低下する。

一方で、有線ＬＡＮでは、Ethernet（登録商標）の100Base-T インタフェースをはじめ、各家庭にも光ファイバを用いたＦＴＴＨ（Fiber to the home)の普及から、 100Ｍbps 〜１Ｇbps 級の高速回線の提供が普及しており、無線ＬＡＮにおいても更なる伝送速度の高速化が求められている。

そのため、2009年に標準化が完了したIEEE802.11ｎ規格では、これまで20ＭHzと固定されていたチャネル帯域幅が最大で40ＭHzに拡大され、また、空間多重送信技術（ＭＩＭＯ：Multiple input multiple output）技術の導入が決定された。IEEE802.11ｎ規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で 600Ｍbps の通信速度を実現可能である。

さらに、2013年に標準化が完了したIEEE802.11ac規格では、チャネル帯域幅を80ＭHzや最大で 160ＭHzまで拡大することや、空間分割多元接続（ＳＤＭＡ：Space Division Multiple Access）を適用したマルチユーザＭＩＭＯ（ＭＵ−ＭＩＭＯ）送信方法の導入が決定している（例えば、非特許文献１参照）。IEEE802.11ac規格で規定されているすべての機能を適用して送受信を行うと、物理レイヤでは最大で約 6.9Ｇbps の通信速度を実現可能である。

ただし、IEEE802.11ac規格においてチャネル帯域幅を40ＭHz、80ＭHz、 160ＭHzと広くする場合、５ＧHz帯において同一場所で同時に使えるチャネル数は、チャネル帯域幅が20ＭHzで19チャネルだったものが、９チャネル、４チャネル、２チャネルと少なくなる。すなわち、チャネル帯域幅が増加するにつれて、使えるチャネル数が低減することになる。

このように、同一場所で同時に使えるチャネル数は、通信に用いるチャネル帯域幅によって、 2.4ＧHz帯の無線ＬＡＮでは３つ、５ＧHz帯の無線ＬＡＮでは２つ，４つ，９つ，または19のチャネルになるので、実際に無線ＬＡＮを導入する際には無線基地局（アクセスポイント：ＡＰ）が自セル（ＢＳＳ：Basic Service Set ）内で使用するチャネルを選択する必要がある。

ここで、使用可能なチャネル数よりもＢＳＳ数が多い無線ＬＡＮの稠密環境では、複数のＢＳＳが同一チャネルを使うことになる（ＯＢＳＳ：Overlapping BSS ）。その場合、同一チャネルを使用するＢＳＳ間の干渉の影響により、当該ＢＳＳおよびシステム全体のスループットが低下することになる。そのため無線ＬＡＮでは、ＣＳＭＡ／ＣＡを用いて、キャリアセンスによりチャネルが空いているときにのみデータの送信を行う自律分散的なアクセス制御が使われている。

具体的には、送信要求が発生した通信局は、まず所定のセンシング期間（ＤＩＦＳ：Distributed Inter-Frame Space ）だけキャリアセンスを行って無線媒体の状態を監視し、この間に他の通信局による送信信号が存在しなければ、ランダム・バックオフを行う。通信局は、引き続きランダム・バックオフ期間中もキャリアセンスを行うが、この間にも他の通信局による送信信号が存在しない場合に、チャネルの利用権（ＴＸＯＰ：Transmission Opportunity）を得る。チャネルの利用権を得た通信局（ＴＸＯＰ Holder ）は、同一ＢＳＳ内の他の通信局にデータを送信し、またそれらの通信局からデータを受信できる。このようなＣＳＭＡ／ＣＡ制御を行う場合、同一チャネルを使用する無線ＬＡＮの稠密環境では、キャリアセンスによりチャネルがビジーになる頻度が高くなるため、送信機会（チャネルの利用権を得る機会）が低下し、スループットが低下することになる。したがって、周辺環境をモニタリングし、適切なチャネルを選択することが重要になる。

無線基地局におけるチャネルの選択方法は、IEEE802.11標準規格で定まっていないため、各ベンダーが独自の方法を採用しているが、最も一般的なチャネル選択方法としては、干渉電力の最も少ないチャネルを自律分散的に選択する方法がある。無線基地局は、一定期間すべてのチャネルについてキャリアセンスして最も干渉電力が小さいチャネルを選択し、選択したチャネル上で配下の端末装置とデータの送受信を行う。なお、干渉電力とは、近隣ＢＳＳや他システムから受信する信号のレベルであり、例えば、受信信号強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）により測定することができる。

ここで、無線基地局においてキャリアセンスを行うときに、受信信号強度（ＲＳＳＩ）を用いてチャネル使用状況を判断するＣＣＡ（Clear Channel Assessment）閾値が設定されている。例えばIEEE802.11規格では、２つのＣＣＡ閾値が規定されている。１つは、キャリアセンスして受信する無線フレームのプリアンブルを検出できた場合に用いるＣＣＡ−ＳＤ（Signal Detection）閾値であり、もう１つは、キャリアセンスして受信する受信信号において、無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出できなかった場合に用いるＣＣＡ−ＥＤ（Energy Detection）閾値である。IEEE802.11ａ規格では、ＣＣＡ−ＳＤ閾値は−82dBｍに設定され、ＣＣＡ−ＥＤ閾値は−62dBｍに設定される。

キャリアセンスにより、ＲＳＳＩがＣＣＡ−ＳＤ閾値以上で、かつ無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出した場合は、そのチャネルはビジー（通信不可）と判定する。また、キャリアセンスにより無線ＬＡＮ信号のプリアンブルを検出できない場合でも、ＲＳＳＩがＣＣＡ−ＥＤ閾値以上の場合は、近隣ＢＳＳや他システムからの干渉波と見なしてそのチャネルはビジー（通信不可）と判定する。それ以外の場合は、チャネルがアイドル（通信可）と判定する。

また、IEEE802.11標準規格では、ＢＳＳ周辺の無線状況が変化した場合におけるチャネルの変更手順が規定されているが、基本的に、レーダ検出などによる強制移行以外は、一度選択したチャネルの再選択を行っていない。すなわち、現状無線ＬＡＮでは、無線状況の変化に応じたチャネルの最適化は行われていない。

特開２０１５−１６７２８８号公報

IEEE 802.11ac Standard, December 2013.

既存の無線ＬＡＮシステムは、無線基地局と無線端末の集合であるＢＳＳを形成し、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための通信制御に用いるパラメータを自律分散的に制御する。無線基地局が制御するパラメータとしては、送信電力値、ＣＣＡ閾値、ＲＳ（Receiving Sensitively ）閾値、周波数チャネルなどがある。一方、近年のトラヒックの急増および無線基地局および端末の高密度化によりＢＳＳ間の干渉が深刻化しているが、従来の自律分散制御は深刻なＢＳＳ間干渉を前提として設計されたものではなく、全ＢＳＳを含むシステム全体の最適化を行うのが困難な課題があった。

本発明は、無線ＬＡＮの稠密環境において、複数の無線基地局が通信制御に用いるパラメータの組合せを最適化し、無線基地局および無線端末を含むシステム全体のスループットを改善する無線通信システム、集中制御局および無線通信方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、複数の無線基地局または無線端末の周辺の無線環境情報および複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する集中制御局とを備えた無線通信システムにおいて、集中制御局は、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得する処理手段１と、複数の無線基地局のシステム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出する処理手段２と、探索済の送信電力の組合せとシステム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出する処理手段３と、システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択して処理手段１の処理に戻る処理手段４と、処理手段１〜処理手段４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して複数の無線基地局に割り当てる処理手段５とを有する制御手段を備え、処理手段１は、１つの送信電力の組合せを選択する際に、複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する。
第１の発明の無線通信システムにおいて、処理手段１は、１つの送信電力の組合せを選択する際に、さらに、隠れ端末およびさらし端末の問題が生じる各無線基地局の送信電力比を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外してもよい。

第１の発明の無線通信システムにおいて、処理手段３は、探索済の送信電力の組合せとシステム性能評価関数の履歴に基づいて、ベイズ最適化アルゴリズムを用いてシステム性能評価関数の確率分布としてその平均値と分散値を含むシステム性能予測評価関数を算出する構成であり、処理手段４は、システム性能予測評価関数の平均値と分散値の和が最大となるパラメータの組合せを選択する構成である。

第１の発明の無線通信システムにおいて、システム性能値は、各無線基地局における下りスループット、上りスループット、遅延時間、パケット送信成功率の少なくとも１つである。

第１の発明の無線通信システムにおいて、システム性能評価関数は、複数の無線基地局のシステム性能値の総和、対数和、最大値または最小値のいずれかを用いる。

第１の発明の無線通信システムにおいて、処理手段５における所定の終了条件は、未探索の送信電力の組合せがなくなったとき、またはシステム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せが探索済のとき、または事前に設定される探索回数の上限値に達したときとする。

第２の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、複数の無線基地局または無線端末の周辺の無線環境情報および複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する集中制御局とを備えた無線通信システムの集中制御局において、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得する処理手段１と、複数の無線基地局のシステム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出する処理手段２と、探索済の送信電力の組合せとシステム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出する処理手段３と、システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択して処理手段１の処理に戻る処理手段４と、処理手段１〜処理手段４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して複数の無線基地局に割り当てる処理手段５とを有する制御手段を備え、処理手段１は、１つの送信電力の組合せを選択する際に、複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する。

第３の発明は、それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局に接続される集中制御局が、複数の無線基地局または無線端末の周辺の無線環境情報および複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する無線通信方法において、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得するステップ１と、複数の無線基地局のシステム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出するステップ２と、探索済の送信電力の組合せとシステム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出するステップ３と、システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択してステップ１の処理に戻るステップ４と、ステップ１〜ステップ４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して複数の無線基地局に割り当てるステップ５とを有し、ステップ１では、１つの送信電力の組合せを選択する際に、複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する。

本発明は、複数の無線基地局に割り当てる通信制御に用いるパラメータの組合せについて、ベイズ最適化アルゴリズムを用いて予測されるシステム性能評価関数の平均値と分散値を用いることにより、システム性能評価関数で表されるシステム全体のスループットが最大となる各無線基地局のパラメータの組合せを効率よく選択することができる。

本発明の無線通信システムの実施例構成を示す図である。 本発明の集中制御局４０の構成例を示す図である。 パラメータ算出部４８におけるベイズ最適化アルゴリズムの概要を示すフローチャートである。 本発明における無線基地局の送信電力の割当手順例を示すフローチャートである。 本発明による効果を確認するシミュレーション例を示す図である。

図１は、本発明の無線通信システムの実施例構成を示す。
図１において、無線通信システムは、隣接するＢＳＳの無線基地局（ＡＰ）１０−１〜１０−Ｎ（Ｎは２以上の整数）がそれぞれ同一周波数を用いて帰属する無線端末（ＳＴＡ）とデータ通信を行う構成である。ここで、無線基地局１０−ｎ（ｎは１〜Ｎ）に帰属する無線端末を２０−ｎ−１〜２０−ｎ−Ｎs(Ｎs は１以上の整数）とするが、各無線基地局に帰属する無線端末は必ずしも同数Ｎs である必要はない。各無線基地局１０−ｎには、ネットワーク３０を介して集中制御局４０が接続される。各無線基地局とネットワークの間の接続形態、ネットワークと集中制御局との間の接続形態は、それぞれ有線接続、無線接続のいずれでもよい。

ここで、無線基地局１０−１を中心とする円は、送信電力値、ＣＣＡ閾値、ＲＳ閾値に応じた通信エリアを模式的に示す。実線矢印は無線基地局と帰属する無線端末との間で送受信する無線信号、破線矢印は隣接するＢＳＳとの間の干渉信号を示す。

送信電力値は、無線基地局の送信信号が所定のレベル（品質）で届く通信エリアを決める。送信電力値が大きいほど通信エリアは大きくなるが、当該通信エリア内に存在する近隣ＢＳＳに対しては干渉信号となり、無線通信システム全体のスループットの低下要因になる。一方、送信電力値が小さくなれば、近隣ＢＳＳに対する干渉信号は小さくなるものの、宛先無線端末におけるＳＮＲ（Signal-to-Noise Power Ratio ）あるいはＳＩＮＲ（Signal-to-Interference Plus Noise Power Ratio ）の低下により、変調方式と符号化率の組み合わせであるＭＣＳ（Modulation and coding scheme）が低下し、スループットが低下することになる。

ＣＣＡ閾値はＣＳＭＡ／ＣＡ制御により送信可否を判断するキャリアセンス範囲を決め、ＲＳ閾値は復調する受信信号の受信範囲（受信感度）を決め、ともに受信信号のＲＳＳＩに基づく通信エリアを決める。ＣＣＡ閾値およびＲＳ閾値が大きいほど通信エリアは小さくなり、各閾値以下の信号に対してチャネルアイドルとなって送信機会が増加する。ただし、送信機会の増加は、近隣ＢＳＳに対しては干渉信号が増加することになるので、無線通信システム全体のスループットの低下要因になる。また、アッテネータ等を用いて受信電力値を下げて等価的にＣＣＡ閾値を大きくして送信機会を増加させると同時に、送信電力値を下げて干渉を低減する制御も考えられているが（特許文献１）、送信機会の増加と送信電力値の低下に伴うＭＣＳの低下のトレードオフの関係によって、必ずしもスループットが増加するとは限らない。

本発明は、集中制御局４０において、無線基地局１０−１〜１０−Ｎから配下の無線端末を含む周辺の無線環境情報や能力情報などを収集し、それに基づいて同一周波数で同時送信が可能な複数の無線基地局の各種パラメータの組合せごとに、スループットなどのシステム性能値を予測し、その見込みが最大となるパラメータ値を決定することを特徴とする。これにより、従来のＣＳＭＡ／ＣＡによるアクセス制御と異なり、複数の無線基地局が同一周波数で同時送信する機会が増え、無線基地局および無線端末のスループットの改善およびシステム全体のスループットを改善することが期待されている。

図２は、本発明の集中制御局４０の構成例を示す。
図２において、集中制御局４０は、接続部４１と、通信部４２と、制御部４３と、情報収集・記憶部４４と、情報処理部４５と、設定情報記憶部４６と、過去情報記憶部４７と、パラメータ算出部４８とを備える。

通信部４２は、接続部４１を介して無線基地局１０と通信を行う。情報収集・記憶部４４は、無線通信システム内に存在する制御対象の無線基地局１０から無線環境情報などを収集し、その情報を保持する。情報処理部４５は、情報収集・記憶部４４が保持している各情報の平均化処理、最新化などを行う。設定情報記憶部４６は、現在無線基地局１０へ割り当てられている設定値の情報を保持している。過去情報記憶部４７は、無線基地局１０の設定値を変更するたびに、情報収集・記憶部４４、情報処理部４５および設定情報記憶部４６の情報の複製を保持する。パラメータ算出部４８は、情報収集・記憶部４４で保持している情報を基に、無線基地局１０の設定パラメータ値を算出する。その際に、設定情報記憶部４６は、パラメータ算出部４８で算出された無線基地局の設定パラメータ値を保持する。制御部４３は、無線基地局１０の各情報の収集、無線基地局のクラスタ作成および設定パラメータ値の算出を含む集中制御局４０の動作を統括して制御する。

図３は、パラメータ算出部４８におけるベイズ最適化アルゴリズムの概要を示す。
図３において、集中制御局のパラメータ算出部４８は、過去情報記憶部４７へ記憶した探索済データログ｛Ｘ，Ｙ｝を用いて、グラム行列およびカーネル関数のパラメータを最適化する（Ｓ１）。Ｘは複数の無線基地局へ割り当てるパラメータの組合せ、Ｙは各パラメータの組合せに対応するシステム性能値（例えばスループット) の測定値に該当する。カーネル関数は、探索済データログに記憶された任意の異なるパラメータの組合せｘ₁ とｘ₂ の距離を定量化する関数である。グラムは、探索済データログに記憶された各パラメータの組合せに対してカーネル関数の値を求め行列にしたものである。

ベイズ最適化では、最適パラメータで構成されるグラム行列およびカーネル関数を用いて、次に探索するパラメータの組合せｘnew を決定する（Ｓ２）。このパラメータの組合せｘnew におけるシステム性能値ｙnew を測定し（Ｓ３）、その後、｛ｘnew,ｙnew ｝を過去情報記憶部４７の探索済みデータログ｛Ｘ，Ｙ｝へ追加する（Ｓ４）。以上の処理を終了条件を満たすまで繰り返し、終了条件を満たしたところで最適化されたパラメータを割り当てて終了する。

ここで、複数の無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための通信制御に用いるパラメータには、送信電力、ＣＣＡ閾値、アッテネータ値、アンテナ指向性、周波数チャネルおよびその帯域、ＲＴＳ／ＣＴＳフレーム使用時のデータフレーム長閾値、変調符号化率を管理するＭＣＳなどがあるが、以下に送信電力の割り当てを例に説明する。

図４は、本発明における無線基地局の送信電力の割当手順例を示す。
図４において、集中制御局は、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せを全部把握しており、その中から１つの送信電力組合せ｛ｘ_i ｝をランダムに選択し（Ｓ11）、複数の無線基地局へ割り当てる（Ｓ12）。以降、ループ演算に入るが、ループ演算の初回はｉ＝０である。複数の無線基地局に送信電力組合せ｛ｘ_i ｝を割り当てたときに、各無線基地局ａにおける最適化指標となるシステム性能値｛ｙ_ia｝を取得する（Ｓ13）。ａは無線基地局のインデックスである。ここで、システム性能値｛ｙ_ia｝としては、下りスループット、上りスループット、遅延時間、パケット送信成功率などのＱｏＳ情報を用いることができる。

次に、送信電力組合せ｛ｘ_i ｝に対して各無線基地局ａにおけるシステム性能値｛ｙ_ia｝を評価するためのシステム性能評価関数ｙ_i を定義する。ここでは、システム性能評価関数ｙ_i として、システム性能値｛ｙ_ia｝の総和Σ_a ｙ_iaを計算する（Ｓ14）。システム性能評価関数ｙ_i としては、他に、対数和Σ_a Log(ｙ_ia) 、Σ_a Log(１＋ｙ_ia) 、最小値 min（ｙ_ia) などを用いてもよい。

次に、複数の無線基地局の送信電力組合せ｛ｘ_i ｝に対するシステム性能評価関数ｙ_i の履歴｛ｘ_i ，ｙ_i ｝をデータログ｛Ｘ，Ｙ｝として登録する（Ｓ15）。次に、未探索の送信電力組合せが存在するか否かを確認する（Ｓ16）。ここで、未探索の送信電力組合せがない場合はループ演算から抜け出す。一方、未探索の送信電力組合せが存在する場合は、ベイズ最適化アルゴリズムへ探索済のデータログ｛Ｘ，Ｙ｝を入力し、後述のシステム性能予測評価関数が最大となる次の送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝を選択する（Ｓ17）。

ベイズ最適化アルゴリズムでは、探索済の送信電力組合せ｛ｘ_i ｝に対するデータログ｛Ｘ，Ｙ｝を用いることで、未探索の送信電力組合せに対するシステム性能評価関数の確率分布（平均値と分散値）を数学的に予測することができ、これをシステム性能予測評価関数（例えば、予測される平均値と分散値の和）とする。このシステム性能予測評価関数が最大値を示す送信電力組合せがあれば、これを次の送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝として選択する。ただし、未探索の送信電力組合せに対するシステム性能予測評価関数（例えば、予測スループット）が、探索済の送信電力組合せに対するシステム性能評価関数（例えば、実スループット）を上回らず、その結果、システム性能予測評価関数の最大値として選択した送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝が未探索のものでない場合もある。

そこで、ベイズ最適化アルゴリズムを用いて選択された送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝が探索済か否かを確認し（Ｓ18）、既に探索済であればループ演算から抜け出す。あるいは、未探索の送信電力組合せの中で、システム性能予測評価関数が最大値となる送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝を選択して次のループ演算に移行してもよい。

未探索の送信電力組合せ｛ｘ_i+1 ｝が選択された場合は、ｉ＝ｉ＋１として次のループ演算に移り（Ｓ19，Ｓ12）、送信電力組合せ｛ｘ_i ｝を複数の無線基地局へ割り当ててシステム性能値｛ｙ_ia｝を取得する処理から繰り返す。以上のループ演算を、ステップＳ16またはステップＳ18でループ演算から抜け出すまで繰り返す。

ループ演算から抜け出したならば、探索済の送信電力組合せ｛ｘ_i ｝の中からデータログ｛Ｘ，Ｙ｝を用いて、システム性能評価関数ｙ_i が最大となる送信電力組合せ｛ｘ_i ｝を導出し、各無線基地局に最終的に割り当て（Ｓ20）、終了する。

ここで、図３のステップＳ11において、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力組合せを選択する際に、集中制御局は事前情報を用いて送信電力組合せの選択範囲を限定してもよい。例えば、無線基地局の送信電力制御では、無線基地局が無線端末から受けるフレーム（例えばＡＣＫフレーム) の受信強度から、各無線基地局の最低限必要な送信電力が求まるため、それ以下の送信電力値を含む送信電力組合せを選択範囲から除外してよい。また、無線ＬＡＮの通信障害として知られる隠れ端末／さらし端末の問題が生じる各無線局の送信電力比が知られていれば、それを含む送信電力組合せを選択範囲から除外することで、探索回数を減らすことができる。

また、図３のステップＳ11において、複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力組合せをランダムに選択する際に、集中制御局は事前情報を用いて最適と推定される送信電力組合せを選択してもよい。例えば、無線基地局の送信電力制御では無線端末からＳＩＮＲ情報を通知してもらうことで、最低送信電力、最大ＳＮＲ、最大ＳＩＮＲを満たす無線基地局の送信電力組合せを算出できるので、それを選択する。ただし、無線ＬＡＮのＣＳＭＡ／ＣＡプロトコル上では、システム性能値｛ｙ_ia｝から得られるシステム性能評価関数ｙ_i に基づく送信電力組合せ｛ｘ_i ｝に対して、必ずしも最大の送信機会が得られるわけではない。よって、仮の最適値としてまず初めに送信電力組合せ｛ｘ₀ ｝を各無線基地局へ割り当てた後、ベイズ最適化手法で真に最適な値へ近づけてゆくことになる。

また、図３のステップＳ16では、未探索の送信電力組合せがなくなった時点でループ演算から抜ける終了条件になっているが、探索回数の上限を事前に設定し、その設定回数になった時点でループ演算から抜けるようにしてもよい。

図５は、本発明による効果を確認するシミュレーション例を示す。
本シミュレーション例は、無線基地局の送信電力制御に本発明を適用したものである。具体的な無線アクセスシステムとして、無線ＬＡＮシステム(IEEE802.11n) を想定し、計算機シミュレータ（ＮＳ３) を用いて評価を行った。システム性能評価関数ｙ_i の定義は、制御対象とする複数の無線基地局ａのシステム性能値｛ｙ_ia｝を下りスループットとし、その最小値min(ｙ_ia) を用いた。この前提条件として、各無線基地局がランダムに送信電力を設定する場合と、本発明による提案手法を用いた場合の２通りで性能を比較した。

無線基地局の台数は４台、送信電力レベルの選択できる数（以下、インデックス数という) を５とした。この時、探索可能な総インデックス数は５⁴ ＝ 625通りとなる。この中から、20通りの送信電力組合せのみ探索を行い、下りスループットを取得した。これは、各無線基地局が送信電力を自律分散的に順に割り当てるために最低限必要な探索数に相当する。上記行程を計 100回繰り返し、得られた20×100 ＝2000点のスループットデータを累積分布関数の図にまとめた。この累積分布確率ＣＤＦは、20回の探索の中でどのようなスループットを実現する送信電力組合せを探索したかを示すものとなっている。図より、本発明の適用により各無線基地局がランダムに送信電力を設定した場合と比較して、より高い確率で高スループットを実現する送信電力組合せを探索できていることがわかる。たとえば、累積分布確率ＣＤＦの45％のスループットは 4.6倍改善していることがわかる。

１０ 無線基地局（ＡＰ）
２０ 無線端末（ＳＴＡ）
３０ ネットワーク
４０ 集中制御局
４１ 接続部
４２ 通信部
４３ 制御部
４４ 情報収集・記憶部
４５ 情報処理部
４６ 設定情報記憶部
４７ 過去情報記憶部
４８ パラメータ算出部

Claims (8)

1. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、
   前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の無線環境情報および前記複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための前記複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する集中制御局と
   を備えた無線通信システムにおいて、
   前記集中制御局は、
   前記複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して前記複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得する処理手段１と、
   前記複数の無線基地局の前記システム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出する処理手段２と、
   探索済の送信電力の組合せと前記システム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出する処理手段３と、
   前記システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択して前記処理手段１の処理に戻る処理手段４と、
   前記処理手段１〜前記処理手段４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して前記複数の無線基地局に割り当てる処理手段５と
   を有する制御手段を備え、
   前記処理手段１は、前記１つの送信電力の組合せを選択する際に、前記複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記処理手段１は、前記１つの送信電力の組合せを選択する際に、さらに、隠れ端末およびさらし端末の問題が生じる各無線基地局の送信電力比を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する
   ことを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１または２に記載の無線通信システムにおいて、
   前記処理手段３は、前記探索済の送信電力の組合せと前記システム性能評価関数の履歴に基づいて、ベイズ最適化アルゴリズムを用いて前記システム性能評価関数の確率分布としてその平均値と分散値を含む前記システム性能予測評価関数を算出する構成であり、
   前記処理手段４は、前記システム性能予測評価関数の平均値と分散値の和が最大となるパラメータの組合せを選択する構成である
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
   前記システム性能値は、前記各無線基地局における下りスループット、上りスループット、遅延時間、パケット送信成功率の少なくとも１つである
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
   前記システム性能評価関数は、前記複数の無線基地局のシステム性能値の総和、対数和、最大値または最小値のいずれかを用いる
   ことを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
   前記処理手段５における所定の終了条件は、未探索の送信電力の組合せがなくなったとき、または前記システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せが探索済のとき、または事前に設定される探索回数の上限値に達したときとする
   ことを特徴とする無線通信システム。
7. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局と、
   前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の無線環境情報および前記複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための前記複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する集中制御局と
   を備えた無線通信システムの集中制御局において、
   前記複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して前記複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得する処理手段１と、
   前記複数の無線基地局の前記システム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出する処理手段２と、
   探索済の送信電力の組合せと前記システム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出する処理手段３と、
   前記システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択して前記処理手段１の処理に戻る処理手段４と、
   前記処理手段１〜前記処理手段４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して前記複数の無線基地局に割り当てる処理手段５と
   を有する制御手段を備え、
   前記処理手段１は、前記１つの送信電力の組合せを選択する際に、前記複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する
   ことを特徴とする集中制御局。
8. それぞれ配下の無線端末と無線通信を行う複数の無線基地局に接続される集中制御局が、前記複数の無線基地局または前記無線端末の周辺の無線環境情報および前記複数の無線基地局のシステム性能値に応じて、各無線基地局が同一周波数で同時送信を行うための前記複数の無線基地局に割り当てる送信電力を制御する無線通信方法において、
   前記複数の無線基地局へ割当可能な送信電力の組合せの中から１つの送信電力の組合せを選択して前記複数の無線基地局に割り当て、該送信電力の組合せに対して各無線基地局から最適化指標となるシステム性能値を取得するステップ１と、
   前記複数の無線基地局の前記システム性能値の評価のためのシステム性能評価関数を算出するステップ２と、
   探索済の送信電力の組合せと前記システム性能評価関数の履歴に基づいて、未探索の送信電力の組合せに対して予測されるシステム性能予測評価関数を算出するステップ３と、
   前記システム性能予測評価関数が最大となる送信電力の組合せを選択して前記ステップ１の処理に戻るステップ４と、
   前記ステップ１〜前記ステップ４の処理を繰り返す中で、所定の終了条件を満たしたときのシステム性能評価関数が最大となる送信電力の組合せを決定して前記複数の無線基地局に割り当てるステップ５と
   を有し、
   前記ステップ１では、前記１つの送信電力の組合せを選択する際に、前記複数の無線基地局がそれぞれ配下の無線端末から受信したフレームの受信強度から求まる各無線基地局の最低限必要な送信電力以下の送信電力値を含む送信電力の組合せを選択範囲から除外する
   ことを特徴とする無線通信方法。

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