JP7165643B2 - 無線リソース割当制御装置、無線リソース割当制御方法及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、無線リソース割当制御装置、無線リソース割当制御方法及びコンピュータプログラムに関する。

近年、異なる複数の無線通信システムが同じ周波数帯を共用することが検討されている。例えば、既存の無線通信システム（プライマリシステム）に割り当てられている周波数帯を他の無線通信システム（セカンダリシステム）が二次的に利用することができるようにすることが検討されている。複数の無線通信システムが共用する周波数帯（共用周波数帯）を各無線通信システムに割り当てる無線リソース割当技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載される無線リソース割当技術では、ユーザ需要に対して実際に割当てる割当リソースと、ユーザ需要の割当要求リソースとの間の差分が大きくなるほど大きくなるユーザ需要ペナルティを有するペナルティを最小にするように、数理最適化問題を解くことにより割当リソースを計算している。

特開２０１７－１４７５１７号公報

しかし、上述した特許文献１に記載の無線リソース割当技術では、ユーザ需要が適正に申請されない場合、例えば実際に必要とされるリソース量よりも過剰に要求されると、その過剰な分だけ余計にリソースが割り当てられることになって、共用周波数帯が適切に利用されなくなる可能性があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、共用周波数帯の無線リソースの割当において、共用周波数帯の無線リソースについての需要と使用実態との乖離を抑制させることを図ることにある。

本発明の一態様は、複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御装置であって、各前記無線通信システムの前記共用周波数帯のリソース需要情報と前記共用周波数帯の空きリソース情報とに基づいて、各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、各前記無線通信システムの前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当部と、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算部と、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御部と、前記割当制御部によるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新部と、各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算部と、各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新部と、を備える無線リソース割当制御装置である。
本発明の一態様は、前記割当制御部は、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得についての各前記無線通信システム間の差に基づいた各前記無線通信システムの不満値及び罪悪感値を計算し、前記不満値及び前記罪悪感値に基づいて各前記無線通信システム間の不公平感を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる、上記の無線リソース割当制御装置である。

本発明の一態様は、複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御方法であって、無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当ステップと、前記無線リソース割当制御装置が、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算ステップと、前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御ステップと、前記無線リソース割当制御装置が、前記割当制御ステップによるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新ステップと、前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算ステップと、前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新ステップと、を含む無線リソース割当制御方法である。

本発明の一態様は、複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御装置のコンピュータに、各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当ステップと、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算ステップと、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御ステップと、前記割当制御ステップによるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新ステップと、各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算ステップと、各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新ステップと、を実行させるためのコンピュータプログラムである。

本発明によれば、共用周波数帯の無線リソースの割当において、共用周波数帯の無線リソースについての需要と使用実態との乖離を抑制させることを図る効果が得られる。

一実施形態に係る無線リソース割当制御装置の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る無線リソース割当制御方法の手順の例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、一実施形態に係る無線リソース割当制御装置の構成例を示すブロック図である。図１において、無線リソース割当制御装置１は、リソース仮割当部１１と、利得関数計算部１２と、割当制御部１３と、公平性指標更新部１４と、監査計算部１５と、利得関数更新部１６とを備える。

無線リソース割当制御装置１の各機能は、無線リソース割当制御装置１がＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）及びメモリ等のコンピュータハードウェアを備え、ＣＰＵがメモリに格納されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。なお、無線リソース割当制御装置１として、汎用のコンピュータ装置を使用して構成してもよく、又は、専用のハードウェア装置として構成してもよい。

無線リソース割当制御装置１は、複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御処理を実行する。本実施形態の一例として、無線リソース割当制御装置１は、既存の無線通信システム（プライマリシステム）に割り当てられている周波数帯を他の複数の無線通信システム（セカンダリシステム）が二次的に利用する場合に、当該周波数帯（共用周波数帯）の空きリソースを各セカンダリシステムに割り当てる。

リソース仮割当部１１は、共用周波数帯の空きリソース情報Ａと各無線通信システムの共用周波数帯のリソース需要情報Ｂとに基づいて、各無線通信システムに割り当てる共用周波数帯の割当リソースの合計量が共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、各無線通信システムの共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定する。

空きリソース情報Ａは、共用周波数帯の空きリソースの情報であって、空きリソースの帯域幅（空きリソース量）を含む情報である。空きリソース情報Ａは、例えば共用周波数管理局から提供される情報である。

リソース需要情報Ｂは、共用周波数帯の割当を希望する無線通信システムが要求する割当リソースの需要を示す情報であって、割当リソースの要求帯域幅、ユーザ端末数、通信トラフィック量、基地局数、基地局スペック、利用時間などを含む情報である。リソース需要情報Ｂは、共用周波数帯の割当を希望する各無線通信システムから申請される情報である。

本実施形態の一例として、リソース仮割当部１１は、（１）式により、各無線通信システムの共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定する。

（１）式において、Ｍは、共用周波数帯の割当を希望する無線通信システムの個数である。ｆａｉはｉ番目の無線通信システムの仮割当量（帯域幅）である。ｉは、Ｍ以下の正の整数である。ｆｄｉはｉ番目の無線通信システムの需要の帯域幅である。Ｂは、空きリソースの帯域幅（空きリソース量）である。

利得関数計算部１２は、共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各無線通信システムの利得関数を計算する。利得関数は、（２）式及び（３）式の２通りあり、どちらかを使用する。（２）式及び（３）式のいずれの利得関数を使用するのかは予め設定される。

（２）式及び（３）式において、δ＿ａｌｌｉ及びδｉｋは、ｉ番目の無線通信システムの利得関数である。ｉはｉ番目の無線通信システムを示す。Ｅｋは、ｋ番目の公平性指標である。λｋは、ｋ番目の公平性指標の重み係数である。「０≦λｋ」である。ｋは、Ｋ以下の正の整数である。Ｋは公平性指標の個数である。なお、重み係数λは、各公平性指標Ｅに共通であってもよく、又は、各公平性指標Ｅに個別であってもよい。

公平性指標は、例えば、リソース割当量、需要（割当リソースの要求帯域幅）に対するリソース獲得率、過去の総獲得帯域、過去の需要（割当リソースの要求帯域幅）に対する平均リソース獲得率、ユーザ端末数、基地局数、割当エリアなどである。

（２）式及び（３）式の利得関数δ＿ａｌｌｉ及びδｉｋは、その値が大きいほどｉ番目の無線通信システムが多くの利得を得ていることを示す。このため、リソース割当の公平性を保つために、利得関数の値が大きい無線通信システムほどリソース割当量が減少する方向に作用する。したがって、利得関数の値が小さい無線通信システムほど優先的にリソースが割り当てられるようになる。

また、（２）式及び（３）式の利得関数δ＿ａｌｌｉ及びδｉｋは、重み係数λｋが大きいほど利得関数の値（利得）が大きくなるので、重み係数λｋが大きい無線通信システムほどリソース割当量が減少する方向に作用する。したがって、重み係数λｋの大きさは、無線通信システムに与えるペナルティの大きさを表す。このため、本実施形態では、共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅が大きい無線通信システムほど、重み係数λｋを大きくして与えるペナルティを大きくする。これにより、リソース需要情報Ｂにおいて適正な需要の申請が行われることを図る。

割当制御部１３は、各無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された共用周波数帯の割当リソースを各無線通信システム間で譲渡させる。この割当制御処理の具体例を以下に示す。

［割当制御処理の例］
割当制御部１３は、各無線通信システムの利得関数の計算結果の利得についての各無線通信システム間の差に基づいた各無線通信システムの不満値（Ｅｎｖｙ）及び罪悪感値（Ｇｕｉｌｔｙ）を計算し、不満値及び罪悪感値に基づいて各無線通信システム間の不公平感を低減させるように、仮割当された共用周波数帯の割当リソースを各無線通信システム間で譲渡させる。利得関数δ＿ａｌｌｉを用いる場合、不満値は、（４）式で表される。罪悪感値は（５）式で表される。（４）式及び（５）式において、「δｉ＝δ＿ａｌｌｉ」である。利得関数δｉｋを用いる場合、不満値は、（６）式で表される。罪悪感値は（７）式で表される。

（４）式、（６）式において、Ｅｖｉは、ｉ番目の無線通信システムの不満値である。（５）式、（７）式において、Ｇｕｉは、ｉ番目の無線通信システムの罪悪感値である。δｉは、ｉ番目の無線通信システムの利得関数の値（利得）である。δｊは、ｊ番目の無線通信システムの利得関数の値（利得）である。ｊは、Ｍ以下の正の整数である。αｉ，βｉは、ｉ番目の無線通信システムの重み係数である。「Ｍ＞２，α＞０，β＞０」である。

不満値及び罪悪感値を低減させることは、各無線通信システム間の不公平感を低減させることに繋がる。このため、割当制御部１３は、不満値及び罪悪感値が一定値以下になるまで、又は、同じ無線通信システム間で同じリソースの譲渡が繰り返し発生する状態になって割当リソースの変動が一定量以下に収まるまで、罪悪感値が最大の無線通信システムから不満値が最大の無線通信システムへ割当リソースの譲渡を繰り返す。

割当制御部１３は、割当制御処理の結果の無線通信システムの共用周波数帯の割当リソースの割当量を最終的なリソース割当結果Ｄとして出力する。

公平性指標更新部１４は、各無線通信システムについて、リソース割当結果Ｄに基づいて、共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する。例えば、公平性指標として、リソース割当量、需要（割当リソースの要求帯域幅）に対するリソース獲得率、過去の総獲得帯域、過去の需要（割当リソースの要求帯域幅）に対する平均リソース獲得率などが、リソース割当結果Ｄが反映された値に更新される。

また、公平性指標更新部１４は、各無線通信システムについて、最新の使用実態情報Ｃに基づいて、共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新してもよい。使用実態情報Ｃは、共用周波数帯の割当を希望する無線通信システムにおける共用周波数帯の割当リソースの使用実態を示す情報である。使用実態情報Ｃは、例えば、実際に使用した帯域幅（使用帯域幅）、ユーザ端末数、通信トラフィック量、基地局数、基地局スペック、利用時間などを含む情報である。例えば、公平性指標として、ユーザ端末数、基地局数などが、使用実態情報Ｃのユーザ端末数、基地局数が反映された値に更新される。使用実態情報Ｃは、例えば、無線通信システムのサービスエリア内に設けられたセンサーにより実測された測定値や、無線通信システムで記録されたリソース使用ログなどから取得される情報である。

公平性指標更新部１４は、各無線通信システムについて、更新結果の公平性指標を利得関数計算部１２へ通知する。利得関数計算部１２は、公平性指標更新部１４から通知された更新結果の公平性指標を以後のリソース割当で使用する。

監査計算部１５は、各無線通信システムについて、共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅を計算する。監査計算部１５は、各無線通信システムについて、リソース需要情報Ｂが示す割当リソースの需要と、使用実態情報Ｃが示す割当リソースの使用実態との乖離幅を計算する。例えば、リソース需要情報Ｂが示す割当リソースの要求帯域幅と、使用実態情報Ｃが示す使用帯域幅との乖離幅を計算する。

利得関数更新部１６は、各無線通信システムについて、監査計算部１５の計算結果の乖離幅に基づいて、上記（２）式及び（３）式の利得関数δの重み係数λを更新する。この重み係数の更新では、乖離幅が大きいほど重み係数を大きくする（ペナルティを大きくする）。これにより、乖離幅が大きい無線通信システムほど以後のリソース割当においてリソース割当量が減少する方向に作用する。これは、リソース需要情報Ｂにおいて適正な需要の申請が行われる効果を奏する。なお、重み係数λは、各公平性指標Ｅに共通であってもよく、又は、各公平性指標Ｅに個別であってもよい。

利得関数更新部１６は、各無線通信システムについて、更新結果の利得関数δの重み係数λを利得関数計算部１２へ通知する。利得関数計算部１２は、利得関数更新部１６から通知された更新結果の利得関数δの重み係数λを以後のリソース割当で使用する。

次に図２を参照して本実施形態に係る無線リソース割当制御方法について説明する。図２は、本実施形態に係る無線リソース割当制御方法の手順の例を示すフローチャートである。

（ステップＳ１） 無線リソース割当制御装置１は、空きリソース情報Ａ及びリソース需要情報Ｂの入力を受付ける。

（ステップＳ２） 無線リソース割当制御装置１は、空きリソース情報Ａと各無線通信システムのリソース需要情報Ｂとに基づいて、各無線通信システムに割り当てる共用周波数帯の割当リソースの合計量が共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、各無線通信システムの共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定する。

（ステップＳ３） 無線リソース割当制御装置１は、上記（２）式及び（３）式のいずれかにより、各無線通信システムの利得関数を計算する。

（ステップＳ４） 無線リソース割当制御装置１は、各無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された共用周波数帯の割当リソースを各無線通信システム間で譲渡させる。

（ステップＳ５） 無線リソース割当制御装置１は、各無線通信システムについて、リソース割当結果Ｄに基づいて、共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する。更新結果の公平性指標は、以後のリソース割当において利得関数の計算に使用される。

（ステップＳ６） 無線リソース割当制御装置１は、各無線通信システムについて、リソース需要情報Ｂが示す割当リソースの需要と、使用実態情報Ｃが示す割当リソースの使用実態との乖離幅を計算する。

（ステップＳ７） 無線リソース割当制御装置１は、各無線通信システムについて、監査計算部１５の計算結果の乖離幅に基づいて、上記（２）式の利得関数δの重み係数λを更新する。この重み係数の更新では、乖離幅が大きいほど重み係数を大きくする。更新結果の重み係数は、以後のリソース割当において利得関数の計算に使用される。

上述した実施形態によれば、共用周波数帯の無線リソースの割当において、共用周波数帯の無線リソースについての需要と使用実態との乖離を抑制させることができる。これにより、共用周波数帯が適切に利用されることに寄与する効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

また、上述した各装置の機能を実現するためのコンピュータプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

１…無線リソース割当制御装置、１１…リソース仮割当部、１２…利得関数計算部、１３…割当制御部、１４…公平性指標更新部、１５…監査計算部、１６…利得関数更新部

Claims (4)

1. 複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御装置であって、
   各前記無線通信システムの前記共用周波数帯のリソース需要情報と前記共用周波数帯の空きリソース情報とに基づいて、各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、各前記無線通信システムの前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当部と、
   前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算部と、
   各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御部と、
   前記割当制御部によるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新部と、
   各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算部と、
   各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新部と、
   を備える無線リソース割当制御装置。
2. 前記割当制御部は、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得についての各前記無線通信システム間の差に基づいた各前記無線通信システムの不満値及び罪悪感値を計算し、前記不満値及び前記罪悪感値に基づいて各前記無線通信システム間の不公平感を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる、
   請求項１に記載の無線リソース割当制御装置。
3. 複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御方法であって、
   無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当ステップと、
   前記無線リソース割当制御装置が、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算ステップと、
   前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御ステップと、
   前記無線リソース割当制御装置が、前記割当制御ステップによるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新ステップと、
   前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算ステップと、
   前記無線リソース割当制御装置が、各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新ステップと、
   を含む無線リソース割当制御方法。
4. 複数の無線通信システムが利用する共用周波数帯を各前記無線通信システムに割り当てる無線リソース割当制御装置のコンピュータに、
   各前記無線通信システムに割り当てる前記共用周波数帯の割当リソースの合計量が前記共用周波数帯の空きリソース量に一致するように、前記共用周波数帯の割当リソースの仮割当量を決定するリソース仮割当ステップと、
   前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標と、前記共用周波数帯の割当リソースについての需要と使用実態との乖離幅とに基づいた各前記無線通信システムの利得関数を計算する利得関数計算ステップと、
   各前記無線通信システムの利得関数の計算結果の利得について各前記無線通信システム間の差を低減させるように、仮割当された前記共用周波数帯の割当リソースを各前記無線通信システム間で譲渡させる割当制御ステップと、
   前記割当制御ステップによるリソース割当結果に基づいて、前記共用周波数帯のリソース割当の公平性指標を更新する公平性指標更新ステップと、
   各前記無線通信システムについて前記乖離幅を計算する監査計算ステップと、
   各前記無線通信システムについて、前記乖離幅に基づいて前記利得関数の重み係数を更新する利得関数更新ステップと、
   を実行させるためのコンピュータプログラム。

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