JP7238995B2 - 最適化エンジン、最適化方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
駅等の公衆無線LAN等のように、電波強度が十分でないアクセスネットワークを利用しようとすると、変調の多値度を下げることになるため、時間や周波数等の通信リソースを当該ユーザに多く割く必要がある。つまり通信リソースの割り振りにより他のユーザの通信品質が大きく低下することになる。
総帯域は小さいが低遅延なネットワーク(a)が存在するとする。映像視聴のような低遅延性を要求しないアプリケーションを利用するユーザがネットワーク(a)の帯域を多く利用した場合、オンラインゲームのような低遅延性を要求するアプリケーションを利用するユーザの通信遅延が増大し、満足度が大きく低下することになる。つまり、目的にそぐわないアクセスネットワークに接続したために他のユーザの満足度が低下することがある。
(1)特定のネットワーク配下でのみ利用できるアプリケーション
(2)特定のネットワーク配下で体感品質が高まるアプリケーション
については考慮されていない。そのため特許文献1には、上記アプリケーションを利用しようとするユーザが望むアクセス経路に必ず接続されるとは限らないという第2の課題がある。
前記通信システムは、複数の端末のそれぞれが複数のアクセスネットワークのいずれかを介して上位ネットワークに接続する構成であり、
前記最適化エンジンは、
前記アクセスネットワーク毎に通信品質情報とネットワーク特徴量、及び、前記端末毎にいずれの前記アクセスネットワークを利用可能かの利用可否情報を収集する情報集約部と、
前記利用可否情報に基づき、前記端末のそれぞれが接続する前記アクセスネットワークの候補である接続先候補を作成する候補選択部と、
前記通信品質情報に基づき、前記接続先候補についての通信品質を推定して推定通信品質とする品質推定部と、
前記ネットワーク特徴量と前記推定通信品質を予め設定された目的関数に代入して得た計算値に基づき、前記接続先候補の中から最適接続先を決定する判断部と、
を備えることを特徴とする。
前記通信システムは、複数の端末のそれぞれが複数のアクセスネットワークのいずれかを介して上位ネットワークに接続する構成であり、
前記最適化方法は、
前記アクセスネットワーク毎に通信品質情報とネットワーク特徴量、及び、前記端末毎にいずれの前記アクセスネットワークを利用可能かの利用可否情報を収集することと、
前記利用可否情報に基づき、前記端末のそれぞれが接続する前記アクセスネットワークの候補である接続先候補を作成することと、
前記通信品質情報に基づき、前記接続先候補についての通信品質を推定して推定通信品質とすることと、
前記ネットワーク特徴量と前記推定通信品質を予め設定された目的関数に代入して得た計算値に基づき、前記接続先候補の中から最適接続先を決定することと、
を行うことを特徴とする。
また、本発明は、アプリケーションに適したネットワークの選択精度を向上させ、体感品質を向上させることができる最適化エンジン、最適化方法、及びプログラムを提供することができる。
[通信システム]
図4は、本実施形態の最適化エンジン50を備える通信システム301を説明する図である。通信システム301は、複数の端末11のそれぞれが複数のアクセスネットワーク(NW)12のいずれかを介して上位ネットワーク13に接続する構成である。図4の通信システム301は、端末11とNW12の数がともに4であるが、これらの数は4に限定されない。
通信品質パラメータは、NWの総帯域、遅延、遅延揺らぎ、利用可能なTCPセッションの数、利用可能なIPアドレスの数、その他の通信品質に関するパラメータである。
ネットワーク特徴量は、回線利用コスト、ユーザの移動への耐性(モビリティ)、暗号化の有無、その他のネットワークの特徴を示す値である。
通信品質パラメータやネットワーク特徴量は、ネットワーク機器及びユーザの端末から取得可能な値、もしくはそれらを利用して導ける値であれば任意の目的関数に従って端末11が接続すべきNW12が導出される。
(1)多数のNW12が存在する環境において、端末11が利用すべき適切なNW12を選択することができる。
(2)利用可能なNW12の数が増加した場合も、接続先選択アルゴリズムを容易に拡張できる。
(3)スループット以外の複数のパラメータが満足度に関与するアプリケーションに対しても、当該満足度が高くなるNW12を端末11が選択できるようになる。
(4)各NW12の特徴を勘案して端末11とNW12とを接続できる。
(5)目的関数の設計で、ユーザの満足度を最大化する、ネットワーク毎の負荷率を平均化する等、多様な要望に対応した端末11とNW12の接続を実現できる。つまり、最適化エンジン50に所望の目的関数を設定することで、NW12の帯域利用率や回線利用コスト等を勘案して通信システム301全体をコントロールすることが可能である。
[補足]
「接続先選択アルゴリズム」は、ユーザ端末が選択するNWの接続先を選択する一連の手順(後述する、目的関数設定の手順の後に、探索候補選択、品質推定、及び目的関数評価の手順(探索ループ)を繰り返し行うこと)を意味する。
「接続先選択アルゴリズムを容易に拡張できる」は、上記の一連の手順や目的関数を変更する必要が無く、主に品質推定部の機能拡張だけで、利用可能なNWの種類及び数の変動、ないし端末の数の変動に対応できる、という意味である。「接続先選択アルゴリズムを容易に拡張できる」理由は、後述する、目的関数設定、探索候補選択、品質推定、及び目的関数評価の各機能部の独立性が高く、機能拡張が容易であるためである。つまり、利用可能なNWの数が増加した場合、一部の機能を変更するのみで対応でき、目的関数やフローチャートの大幅な変更を必要としない。
なお、従来の接続先選択アルゴリズムは、非特許文献1のように、3GPP回線と無線LAN回線の2者択一の手法が多く、3つ以上のNWに適用するためには大幅なアルゴリズム更改が必要である。また、そのような手法は、接続先を選択する機能に3GPP回線や無線LAN回線の特徴や関係が直接的に反映されている(3GPP回線と無線LAN回線の2者択一の専用設計である)ことが多く、新規のNWの導入には接続先を選択する機能の再構築が必要である。
端末11は、利用するアプリケーションと利用可能なNW12を最適化エンジン50へ通知する端末情報通知部11aを持つ。
端末11は、最適化エンジン50からの指示を受けて利用するNW12を切り替えるネットワーク選択部11bを持つ。
NW12は、利用可能帯域などの自身の通信品質情報を最適化エンジン50に通知するネットワーク情報通知部12bを持つ。
最適化エンジン50は、端末11とNW12との接続組合せの集合を定義し、その集合の中から探索時における接続組合せの候補を抽出する探索候補選択部52を持つ。
最適化エンジン50は、現実世界を模擬して品質のシミュレーションもしくは推定を行う品質推定部53を持つ。品質推定部53は、接続組合せの候補を入力としてそれらに接続したときの各端末11の推定品質を出力する。
最適化エンジン50は、各端末11の通信品質などを基に目的関数の値を計算する目的関数評価部54を持つ。
最適化エンジン50は、目的関数評価部54の計算結果を受けて、再度接続組合せの探索を行うか終了するかを判断する評価結果判断部55を持つ。
最適化エンジン50は、最終的に決定した接続組合せを各端末11と各NW12の少なくとも一方へ通知する最適ネットワーク通知部56を持つ。
情報集約部51が、NW12毎に通信品質情報(後述の“P”)とネットワーク特徴量(後述の“C”)、及び、端末11毎にいずれのNW12を利用可能かの利用可否情報(後述の“A”)を収集し、
探索候補選択部52が、前記利用可否情報に基づき、端末11のそれぞれが接続するNW12の候補である接続先候補(接続組合せ)を作成し、
品質推定部53が、前記通信品質情報に基づき、前記接続先候補についての通信品質を推定し(推定通信品質を出力し)、
目的関数評価部54が、前記ネットワーク特徴量と前記推定通信品質を予め設定された目的関数に代入し、
評価結果判断部55が、前記目的関数を最大値又は最小値とする前記接続先候補を最適接続先に決定する。
図6は、最適化エンジン50の動作を説明する図である。各端末11は、通信システム内で最大N種類のNW12を利用可能であるとする。n番目のNW12の持つ総帯域や平均遅延などの通信品質パラメータの値の配列がベクトルPnで表現されているとする。またn番目のNW12が持つ、通信品質以外の特徴量の配列がベクトルCnで表現されているとする。ベクトルPnおよびベクトルCnの要素数は考慮する通信品質パラメータや特徴量の個数に等しい。また、ベクトルPnの集合を集合P、ベクトルCnの集合を集合Cとする。
M個の端末11が接続するNW12の組み合わせをベクトルxとし、そのm番目の要素xmは、m番目の端末11が接続するNW12の番号(1≦xm≦N)を示す。
最適化エンジン50の探索候補選択部52は、端末11それぞれが利用可能なNW12を表すベクトルAmの集合である利用可能アクセスネットワークAを入力として各端末の接続先候補の集合Xを生成する。
各NW12のネットワーク情報通知部12bは最適化エンジン50の情報集約部51へ通信品質情報(ベクトルPn)と通信品質以外の特徴量(ベクトルCn)を通知する。なお、NW12内で実現されるアプリケーションがあれば、そのアプリケーションのリストも通知してもよい。情報集約部51は、通知された通信品質情報と特徴量から集合Pと集合Cを作成する。
各端末11の情報通知部11aは、任意の時刻に利用可能となっているアクセスネットワークと、利用中もしくは利用予定のアプリケーション(ベクトルAm)を最適化エンジン50の情報集約部51へ通知する(ステップS02)。情報集約部51は、通知されたアプリケーションから利用可能アプリケーション(集合A)を作成する。
探索候補選択部52は、解の探索ループの回数i、目的関数の値の最大値又は最小値f*及びその時の接続先x*を初期化(初期値は0もしくは零ベクトル)する。
ステップS03とステップS04はいかなる順序で行ってもよく、同時に行ってもよい。
目的関数が最小化すべき関数であれば、f(yi,C)がこれまでの探索で得られた最小の値f*よりも小さい場合(ステップS10で“Yes”)、f*を更新する。また、そのf*が得られた時の要素xiをx*として更新する(ステップS11)。
具体的には、探索終了条件は次が挙げられる。
(1)探索回数(iの上限)
(2)探索時間
(3)特定の指標や目的関数の値が一定値を超えるもしくは下回ること
(4)探索途中で得られたx*が今後も更新されないことが明白な値となること
図9は、本実施形態の最適化エンジン50を備える通信システム302を説明する図である。通信システム302は、特定のネットワーク(NW12-4)にアプリケーションサーバ(アプリケーションD)がある。通信システム302は、NW12にもアプリケーションサーバが存在している点が図4の通信システム301と異なる。本実施形態では、通信システム302が通信システム301と相違する点について説明する。
判断部55は、前記対応情報と前記アプリケーション情報を前記計算値に反映させる効用関数が設定されている。効用関数については後述する。
アプリケーション・サービスに適したNWの選択精度を向上させ、体感品質の低下抑制および体感品質向上が実現できる。また、実施形態1の通信品質推定方法を、改変なくそのまま(目的関数に効用関数を付加するだけで)活用できる。
目的関数の設定者は、ビジネスモデル、ユーザ満足度、公平性、又はコスト等を考慮して目的関数を定める。目的関数f(y,C)の設定により、ユーザの接続先振り分けを多様な方針で行うことができる。
以下に、目的関数の例を挙げる。
(1)満足度推定値の合計値(最大化)
(2)満足度推定値が設定値以上になるユーザの人数(最大化)
(3)満足度推定値の中央値(最大化)
なお、アクセスネットワークが3つ以上存在する場合はそれぞれのアクセスネットワークの帯域利用率lnの分散を用いればよい(本式でnはアクセスネットワークの識別番号)。
なお、アクセスネットワークが複数(N個)存在する場合、数P7を一般化すると次のような目的関数となる。
(8)仮想移動体通信事業者(MVNO:Mobile Virtual Network Operator)から見た回線利用コストの合計値(最小化)
数P1~数P8で示した基本的な目的関数を合成するとき、上記(A)及び(B)の方法ではそれぞれの目的関数をバランスよく考慮することができなくなる場合がある。例えば、最大化するべき目的関数と最小化するべき目的関数を同時に考慮したければ、どちらかの関数の逆数を取る等の変換を施してから合成する必要がある。また、それぞれの目的関数が取りえる値の範囲に差がある場合、値の範囲の大きい目的関数の寄与が大きくなるなどの影響が出る可能性がある。そのため、複数の目的関数を均等に考慮したい場合は取りえる範囲を調整する規格化が必要となる場合がある。これらの変換に用いる関数をgとし、gとfjの合成関数を用いて目的関数fを表現することもできる。
1.ある一つのNWでのみ利用可能なアプリケーションの場合
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
m番目の端末(ユーザ)がn番目のNWでのみ利用できるアプリケーションAを利用する場合、n’番目のNWに接続したユーザの効用hmn’を、NW毎に定義される定数をαn’及びβn’を用いて次式のように定義する。ここで、QoE(y,C)は通信品質y及び特徴量Cのときの任意のQoEモデルから計算したQoE値である。
(2)その他の方法
効用関数には論理式を組み込んでもよい。例えばクロネッカーのデルタδn’nを用いて
[数22]
hmn’=δn’nQoE(y,C)
としてもよい。
また、目的関数の設定方法として、アプリケーションAを利用できないNWに、アプリケーションAを利用しようとする端末が1台でも接続している場合、目的関数の値を0としてもよい。
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
n番目のNWで所望のアプリケーションが利用できない場合、数21について次式を適用する。
ネットワーク番号n’=nではアプリケーションAを利用できないとすると、数22について
[数23]
hmn’=(1-δn’n)QoE(y,C)
とするとNW番号n’≠nのときの効用hmn’が高くなる。
また、目的関数の設定方法として、アプリケーションAを利用できないNWに、アプリケーションAを利用しようとする端末が1台でも接続している場合、目的関数の値を0としてもよい。
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
n番目のNWでそのアプリケーションの効用が高まる場合、数21の効用hmn’についてn’=nのときにαn’及びβn’が大きくなるようにする。
例えば、QoEの値の大きさに応じて効用への影響が変化する場合、αn’を大きくし(数21aではαn’=1であるが、本例の場合、αn’>1とする。)、
QoEの値の大きさによらず効用が増加する場合、βn’を大きくする(数21aではβn’=0であるが、本例の場合、βn’>0とする。)。
(2)非線形の式で効用関数を表現する方法
QoEの値が効用に影響を与えることを模擬する方法として、QoEを変数とした非線系関数を効用として定義する方法がある。
例えば、
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
n番目のNWでそのアプリケーションの効用が高まる場合、数21の効用hmn’についてn’=nのときにαn’及びβn’が小さくなるようにする。
例えば、QoEの値の大きさに応じて効用への影響が変化する場合はαn’を小さくし(数21aではαn’=1であるが、本例の場合、0<αn’<1とする。)、
QoEの値の大きさによらず効用が低下する場合はβn’を小さくする(数21aではβn’=0であるが、本例の場合、βn’<0とする。)。
(2)非線形の式で効用関数を表現する方法
上述の3(2)で説明した方式と同様の方式を用いる。数23において、ネットワークnで効用が小さくなる場合はαn’を小さくとる(例えば、0<αn’<1とする。)。
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
数21を用いるが、アプリケーションAが利用可能なNWの集合nを定義し、各パラメータを次式とする。
上述の1(2)の方法と同様に目的関数の設定方法として、アプリケーションAを利用できないNWに、アプリケーションAを利用しようとしている端末が1台でも接続している場合、目的関数の値を0としてもよい。
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
アプリケーションAの効用が高まるNWの集合をu、効用が低くなる集合をdと定義し、数21の効用hmn’について、
n’∈集合uのときにαn’とβn’を大きくする(数21aではαn’=1、βn’=0であるが、本例の場合、αn’>1、βn’>0とする。)。
一方、n’∈集合dのときにαn’とβn’を小さくする(数21aではαn’=1、βn’=0であるが、本例の場合、0<αn’<1、βn’<0とする。)。
(2)非線形の式で効用関数を表現する方法
アプリケーションAの効用が高まるNWの集合をu、効用が低くなる集合をdと定義し、数24の効用hmn’について、
n’∈集合uのときにαn’を大きくする(数21aではαn’=1であるが、本例の場合、αn’>1とする。)。
一方、n’∈集合dのときにαn’を小さくする(数21aではαn’=1であるが、本例の場合、0<αn’<1とする。)。
(1)線形の式で効用関数を表現する方法
数21の効用hmn’について、αn’とβn’をNW毎に実数全体から任意に定める。
(2)非線形の式で効用関数を表現する方法
数24の効用hmn’について、αn’をネットワーク毎に実数全体から任意に定める。
上記の最適化エンジン50はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
図10は、システム100のブロック図を示している。システム100は、ネットワーク135へと接続されたコンピュータ105を含む。なお、システム100が通信システム301、コンピュータ105が最適化エンジン50に相当する。
なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。要するにこの発明は、上位実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
11a:端末情報通知部
11b:ネットワーク選択部
12:アクセスネットワーク(NW)
12a:端末選択部
12b:ネットワーク情報通知部
13:上位ネットワーク
20:インターネット
50:最適化エンジン
51:情報集約部
52:探索候補選択部
53:品質推定部
54:目的関数評価部
55:評価結果判断部
56:最適ネットワーク通知部
100:システム
101:ユーザ
105:コンピュータ
110:プロセッサ
115:メモリ
120:プログラムモジュール
122:結果
125:記憶装置
130:ユーザデバイス
135:ネットワーク
140:記憶装置
150:データソース
301、302:通信システム
Claims (9)
- 通信システムの最適化エンジンであって、
前記通信システムは、複数の端末のそれぞれが複数のアクセスネットワークのいずれかを介して上位ネットワークに接続する構成であり、
前記最適化エンジンは、
前記アクセスネットワーク毎に通信品質情報とネットワーク特徴量、及び、前記端末毎にいずれの前記アクセスネットワークを利用可能かの利用可否情報を収集する情報集約部と、
前記利用可否情報に基づき、前記端末のそれぞれが接続する前記アクセスネットワークの候補である接続先候補を作成する候補選択部と、
前記通信品質情報に基づき、前記接続先候補についての通信品質を推定して推定通信品質とする品質推定部と、
前記ネットワーク特徴量と前記推定通信品質を予め設定された目的関数に代入して得た計算値に基づき、複数の前記端末と複数の前記アクセスネットワークとの接続組み合わせを前記目的関数に沿って動的に選択する判断部と、
を備えることを特徴とする最適化エンジン。 - 前記ネットワーク特徴量には、アプリケーションと前記アクセスネットワークのうち前記アプリケーションを実現可能な特定アクセスネットワークとの対応情報が含まれており、
前記情報集約部は、前記利用可否情報とともに前記端末が利用する前記アプリケーションのアプリケーション情報も収集し、
前記判断部は、前記対応情報と前記アプリケーション情報を前記計算値に反映させる効用関数が設定されている
ことを特徴とする請求項1に記載の最適化エンジン。 - 前記判断部は、前記目的関数を最大値又は最小値とする前記接続先候補を前記最適接続先とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の最適化エンジン。
- 前記端末と前記アクセスネットワークとの接続が前記最適接続先となるようにそれぞれの前記端末と前記アクセスネットワークの少なくとも一方に接続指令を出力する通知部をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の最適化エンジン。
- 通信システムの最適化方法であって、
前記通信システムは、複数の端末のそれぞれが複数のアクセスネットワークのいずれかを介して上位ネットワークに接続する構成であり、
前記最適化方法は、
前記アクセスネットワーク毎に通信品質情報とネットワーク特徴量、及び、前記端末毎にいずれの前記アクセスネットワークを利用可能かの利用可否情報を収集することと、
前記利用可否情報に基づき、前記端末のそれぞれが接続する前記アクセスネットワークの候補である接続先候補を作成することと、
前記通信品質情報に基づき、前記接続先候補についての通信品質を推定して推定通信品質とすることと、
前記ネットワーク特徴量と前記推定通信品質を予め設定された目的関数に代入して得た計算値に基づき、複数の前記端末と複数の前記アクセスネットワークとの接続組み合わせを前記目的関数に沿って動的に選択することと、
を行うことを特徴とする最適化方法。 - 前記ネットワーク特徴量には、アプリケーションと前記アクセスネットワークのうち前記アプリケーションを実現可能な特定アクセスネットワークとの対応情報が含まれており、
前記利用可否情報とともに前記端末が利用する前記アプリケーションのアプリケーション情報も収集することと、
効用関数で前記対応情報と前記アプリケーション情報を前記計算値に反映させることと、をさらに行うこと特徴とする請求項5に記載の最適化方法。 - 前記目的関数を最大値又は最小値とする前記接続先候補を前記最適接続先とすることを特徴とする請求項5又は6に記載の最適化方法。
- 前記端末と前記アクセスネットワークとの接続が前記最適接続先となるようにそれぞれの前記端末と前記アクセスネットワークの少なくとも一方に接続指令を出力すること、をさらに行うことを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の最適化方法。
- 請求項1から4のいずれかに記載の最適化エンジンとしてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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