JP7410439B2

JP7410439B2 - 置局設計装置及び置局設計方法

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Publication number: JP7410439B2
Application number: JP2022531222A
Authority: JP
Inventors: 秀紀俊長; 秀幸坪井; 和人後藤; 直樹北
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2024-01-10
Anticipated expiration: 2040-06-19
Also published as: JPWO2021255922A1; WO2021255922A1

Description

本発明は、置局設計装置及び置局設計方法の技術に関する。

ＡＤＳＬ（Asymmetric Digital Subscriber Line）やＶＤＳＬ（Very high bitrate Digital Subscriber Line）等のベストエフォート型のインターネットアクセスサービスに対し、マルチホップ技術を活用した無線化の検討が行われている。また、生活基盤が未整備のエリアや災害時等の生活基盤の構築に、同様にマルチホップ技術の活用が行われている。マルチホップ無線技術を広域エリアで構築する場合には、地形や建物等の情報に基づき置局設計することが求められる。例えば、特許文献１では地形情報や建物情報等の三次元地図情報を用いて伝搬損失モデルを選択し、設置先候補の通信可否を判定する置局設計を行っている。或いは、例えば、特許文献２では地形情報に基づき無線伝送品質を計算してホップ数を算出し、被災害耐性を考慮してホップ数に応じた信頼性（ロバストネス）をパラメータとして置局設計を行っている。

特開２０１６－１８４８９８号公報特開２０１７－６９８１８号公報

改訂三版 802.11 高速無線LAN教科書 (インプレス標準教科書シリーズ)、インプレス、ISBN-10:4844325469

ＡＤＳＬやＶＤＳＬ等の既存のインターネットサービスを、マルチホップ技術を用いて無線化する場合に、既存のインターネットサービスと比較してどの程度のスループットが維持できるかを評価していくことが望まれる。ところが、適応的に変調方式や符号化率が変化する無線システム（例えば非特許文献１参照）では、周囲の環境により伝送レートが変化することになるため、従来の置局設計技術では、スループットを評価することが難しい。

適応変調技術は、例えば無線局間の伝送品質が良好な場合には、１６ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）でデータを変調して高い伝送レートを保ち、伝送品質が悪化した場合は、変調方式をＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）に変更して、エラーレートは改善するようにしている。このような適応変調方式を用いた無線システムにてマルチホップ通信システムを構築する場合、無線局間の伝送品質に応じて伝送レートが変化するため、スループットを評価することが難しくなる。

上記事情に鑑み、本発明は、各無線局間の通信に適応変調技術を用いた場合にもスループットを正しく評価でき、最適な置局設計を行うことができる技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、適応変調を用いる無線局間を無線接続するマルチホップ無線ネットワークの置局設計装置であって、各無線局の位置及び地形情報から各無線局間の伝送路の伝送品質を計算する伝送品質算出部と、前記伝送品質から各無線局間の適応変調方式に基づき決定される伝送レートを導出する伝送レート算出部と、各無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算する干渉量演算部と、経路のホップ数を計算するホップ数計算部と、前記伝送レート、ホップあたりのスループット劣化割合、及び周波数リソースの割当てによる干渉量から端末無線局毎のスループットを導出するスループット算出部と、前記スループットに応じて置局優先順位を指定する置局優先順位設定部と、を備える置局設計装置である。

本発明の一態様は、適応変調を用いる無線局間を無線接続するマルチホップ無線ネットワークの置局設計方法であって、各無線局の位置及び地形情報から各無線局間の伝送路の伝送品質を計算するステップと、前記伝送品質から各無線局間の適応変調方式に基づき決定される伝送レートを導出するステップと、各無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算するステップと、経路のホップ数を計算するステップと、前記伝送レート、ホップあたりのスループット劣化割合及び周波数リソースの割当てによる干渉量から端末無線局毎のスループットを導出するステップと、前記スループットに応じて置局優先順位を指定するステップとを有する置局設計方法である。

本発明により、各無線局間の通信に適応変調技術を用いた場合にもスループットを正しく評価でき、最適な置局設計を行うことが可能となる。

本発明の通信システム１００のシステム構成例を示す図である。置局設計装置１００の概要を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る置局設計装置１００での処理を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係る置局設計装置１００での処理を示すフローチャートである。本発明の第１の実施形態に係る置局設計装置１００での処理を示すフローチャートである。

本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の通信システム１００のシステム構成例を示す図である。図１は、本発明の実施形態に係る置局設計装置が適用できるマルチホップ通信システムの構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、マルチホップ通信システムは、インターネット１０に接続する集約無線局１１ａ、１１ｂと、集約無線局１１ａ、１１ｂに接続或いは相互に無線接続する中継無線局１２ａ～１２ｈと、端末無線局１３ａ～１３ｈとから構成される。各無線局（集約無線局１１ａ、１１ｂ、中継無線局１２ａ～１２ｈ、端末無線局１３ａ～１３ｈ）は、無線によりデータ通信を行う。各無線局間で通信を行う際の無線方式としては、例えば４．９ＧＨｚ帯を用いるＩＥＥＥ８０２．１１ｊ、６０ＧＨｚ帯を用いるＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ、或いは２．４ＧＨｚ帯や５ＧＨｚ帯を用いるＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｂ／ｇ／ｎ／ａｃ／ａｘ等が挙げられる。これらの無線方式では、伝送品質に応じて適応的に変調方式や符号化率等が変更される。

集約無線局１１ａ、１１ｂは、例えば局舎の屋上等、見通しが良好で、インターネットに接続することが可能な拠点に設置されることが想定される。端末無線局１３ａ～１３ｈの設置位置は、ユーザ宅の宅内に配線を引き込む家屋壁面等が想定される。各無線局（集約無線局１１ａ、１１ｂ、中継無線局１２ａ～１２ｈ、端末無線局１３ａ～１３ｈ）は、マルチホップ接続してネットワークが構成される。

なお、この例では、２つの集約無線局１１ａ、１１ｂと、８つの中継無線局１２ａ～１２ｈと、８つの端末無線局１３ａ～１３ｈとが図示されているが、無線局の数は、これに限定されるものではない。また、各無線局（集約無線局１１ａ、１１ｂ、中継無線局１２ａ～１２ｈ、端末無線局１３ａ～１３ｈ）は、どのように配置しても良い。

図２は、置局設計装置１００の概要を示すブロック図である。置局設計装置１００は、上述のようなマルチホップ通信システムを構築する場合に、端末無線局１３ａ～１３ｈから集約無線局１１ａ、１１ｂまでのスループットを比較して、最適な置局設定を行う。

例えば、端末無線局１３ａがインターネットに接続する場合の経路としては、端末無線局１３ａから、中継無線局１２ａを介して、集約無線局１１ａに接続する経路（以下、経路Ａ１とする）と、端末無線局１３ａから、中継無線局１２ｅと中継無線局１２ａとを介して、集約無線局１１ａに接続する経路（以下、経路Ａ２とする）とが考えられる。この経路Ａ１と経路Ａ２とで、スループットを比較するとする。

経路Ａ１では、端末無線局１３ａと集約無線局１１ａとの間に介在する中継無線局は、１つの中継無線局１２ａだけである。これに対して、経路Ａ２では、端末無線局１３ａと集約無線局１１ａとの間に介在する中継無線局は、２つの中継無線局１２ｅ及び１２ａである。したがって、ホップ数に関しては、経路Ａ１の方が経路Ａ２より少なく、その分、スループットが大きいと考えられる。

しかしながら、経路Ａ２では、それぞれの無線局の間の距離は全て近距離である。このため、経路Ａ２では、各無線局の間では、全て伝送レートの高い変調方式に設定されると考えられる。これに対して、経路Ａ１では、端末無線局１３ａと中継無線局１２ａとの間の距離は離れている。このため、端末無線局１３ａと中継無線局１２ａとの間では、伝送レートの低い変調方式に設定されると考えられる。したがって、変調方式による伝送レートに関しては、経路Ａ２の方が経路Ａ１よりスループットが大きいと考えられる。

このように、スループットの比較は、ホップ数だけでなく、変調方式による伝送レートの違いを考慮する必要がある。その他、隣接する無線局が同一の周波数チャネルを使用していると、その干渉により、スループットの低下が生じる。この置局設計装置１００は、伝送品質に応じて適応的に変化する伝送レートと、端末無線局１３ａ～１３ｈから集約無線局１１ａ、１１ｂまでのホップ数と、周波数リソース割当てによる干渉量とからスループットを算出して、置局設定を行っている。これにより、各無線局の無線方式として、適応変調方式が用いられている場合にも、スループットを正しく評価できる。

次に、置局設計装置１００について説明する。置局設計装置１００は、パーソナルコンピューターや携帯端末やタブレット端末やサーバー装置等の情報処理装置を用いて構成される。置局設計装置１００は、制御部１０１、記憶部１０２、入力部１０３及び表示部１０４を備える。

制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーとメモリーとを用いて構成される。制御部１０１は、プロセッサーがプログラムを実行することによって、伝送品質算出部２０１、伝送レート算出部２０２、干渉量演算部２０３、ホップ数計算部２０４、スループット算出部２０５及び置局優先順位設定部２０６として機能する。なお、制御部１０１の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されても良い。上記のプログラムは、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピューター読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、半導体記憶装置（例えばＳＳＤ：Solid State Drive）等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

記憶部１０２は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置等の記憶装置を用いて構成される。記憶部１０２は、地図情報記憶部２１０及び無線設備記憶部２１１として機能する。地図情報記憶部２１０は、設計対象のネットワーク周辺の３次元地図情報を記憶している。無線設備記憶部２１１は、各無線局（集約無線局１１ａ、１１ｂ、中継無線局１２ａ～１２ｈ、端末無線局１３ａ～１３ｈ）の個数や設置位置、使用可能な周波数チャネル、使用可能な無線方式等の他、障害物がある場合の減衰パラメータ、干渉が生じた場合の減衰パラメータ、ホップ毎の減衰パラメータ等、種々の情報を記憶する。

入力部１０３は、外部から置局設計装置１００にデータを入力するインターフェースである。入力部１０３は、例えば外部から各無線局の位置設置情報の入力を受け付ける。入力部１０３は、例えば通信インターフェースを用いて構成され、ネットワークを介してこれらの情報を受け付けてもよい。入力部１０３は、外部記憶装置からデータを読み出す装置を用いて構成されてもよい。

伝送品質算出部２０１は、各無線局の位置と、地図情報記憶部２１０に記憶されている地形情報から、各無線局間の伝送路の伝送品質を計算する。すなわち、伝送品質算出部２０１は、各無線局の位置と、地図情報記憶部２１０に記憶されている三次元地図情報とを参照し、各無線局間の距離や各無線局間の障害物を判定する。そして、伝送品質算出部２０１は、各無線局間の距離や障害物から減衰量を求め、各無線局間の伝送品質を求める。

伝送レート算出部２０２は、伝送品質算出部２０１で算出された伝送品質から、伝送レートを算出する。すなわち、適応変調方式では、伝送品質に応じて伝送レートが変化する。伝送レート算出部２０２は、適応変調方式に基づき、伝送品質から伝送レートを決定する。

干渉量演算部２０３は、各無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算する。すなわち、隣接する無線局で同一の周波数のチャネルが使用されていると、その干渉を受けて、スループットが低下する。干渉量演算部２０３は、地図情報記憶部２１０に記憶されている三次元地形情報を参照して、このような隣接無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算する。

ホップ数計算部２０４は、端末無線局１３ａ～１３ｈから集約無線局１１ａ、１１ｂまでのホップ数を計算する。

スループット算出部２０５は、伝送レート算出部２０２で算出された伝送レートと、干渉量演算部２０３で算出された干渉量と、ホップ数計算部２０４で計算されたホップ数とから、各端末無線局１３ａ～１３ｈから集約無線局１１ａ、１１ｂまでのスループットを算出する。

置局優先順位設定部２０６は、スループット算出部２０５で求められたスループットに応じて、置局優先順位を指定する。

図３～図５は、本発明の第１の実施形態に係る置局設計装置１００での処理を示すフローチャートである。

置局設計を行う際には、先ず、各無線局の設定が行われる。図３は、無線局の設定処理のフローチャートである。

（ステップＳ１０１）操作者は、入力部１０３に観測対象となる集約無線局１１ａ、１１ｂの位置を設定して、処理をステップＳ１０２に進める。
（ステップＳ１０２）操作者は、入力部１０３に観測対象となる端末無線局１３ａ～１３ｈの位置を設定して、設定処理を終了する。

観測対象の無線局の設定が完了すると、スループットリスト作成の処理が行われる。図４は、スループットの作成処理のフローチャートである。

（ステップＳ２０１）制御部１０１は、観測対象となる集約無線局１１ａ、１１ｂと端末無線局１３ａ～１３ｈとの間のマルチホップ経路の組合わせを作成して、処理をステップＳ２０２に進める。

（ステップＳ２０２）制御部１０１は、全てのマルチホップ経路の組合わせの評価が完了したか否かを判定する。制御部１０１は、全てのマルチホップ経路の組合わせの評価が完了していなければ（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、処理をステップＳ２０３に進め、全てのマルチホップ経路の組合わせの評価が完了していれば（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ２０４に進める。

（ステップＳ２０３）制御部１０１は、評価対象となるマルチホップの組合わせで、スループットを導出して、処理をステップＳ２０２に戻す。

ステップＳ２０２からステップＳ２０３を繰り返すことで、マルチホップ経路の組合わせ毎のスループットの評価が進められていく。全てのマルチホップ経路の組合わせの評価が完了すると、ステップＳ２０２で、評価が完了したと判定され、ステップＳ２０４に処理が移る。

（ステップＳ２０４）制御部１０１は、全端末無線局１３ａ～１３ｈについてのスループットリストを作成して、処理をステップＳ２０５に進める。

（ステップＳ２０５）制御部１０１は、優先順位に沿ってスループットリストをソートし、置局設計における優先順位リストとして出力する。

図５は、図４におけるステップＳ２０３のスループット導出の処理を示すフローチャートである。
（ステップＳ３０１）制御部１０１は、全経路の評価を完了したか否かを判定し、全経路の評価が完了していなければ（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、処理をステップＳ３０２に進め、全経路の評価が完了していれば（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３０７に進める。

（ステップＳ３０２）制御部１０１は、評価経路を選択して、処理をステップＳ３０３に進める。
（ステップＳ３０３）制御部１０１は、記憶部１０２から三次元地図情報を読み込み、処理をステップＳ３０４に進める。

（ステップＳ３０４）制御部１０１は、評価経路の無線局の位置と三次元地図情報とを参照して、評価経路の無線伝搬モデルを選択して、処理をステップＳ３０５に進める。評価経路には、中継無線局１２ａ～１２ｈへの経路や、端末無線局１３ａ～１３ｈへの経路がある。中継無線局１２ａ～１２ｈの経路は見通しがある状態で設置することが想定され、一方で各戸に設置する端末無線局１３ａ～１３ｈの経路は見通しがないことが想定される。同じ周波数帯の無線方式を利用する場合でも、これらの設置形態に応じて適用する無線伝搬モデルは異なる。

（ステップＳ３０５）制御部１０１は、ステップＳ３０４で選択した無線伝搬モデルを用いて、評価経路の減衰量を導出し、処理をステップＳ３０６に進める。
（ステップＳ３０６）制御部１０１は、ステップＳ３０５で算出された減衰量から、伝送速度を決定し、処理をステップＳ３０１に戻す。すなわち、適応変調方式では、伝送品質に応じて変調方式が適応的に設定され、その経路のデータレートが変化する。このことから、制御部１０１は、ステップＳ３０５で求められた観測経路の減衰量を基に、観測経路で設定される変調方式を決定し、これに基づいて、観測経路のデータレートを算出する。

ステップＳ３０１からステップＳ３０６を繰り返すことにより、評価経路毎の伝送速度が決定される。全ての評価経路の伝送速度が決定されると、ステップＳ３０１で、全経路の評価が完了したと判定されることになり、ステップＳ３０７に処理が移る。

（ステップＳ３０７）制御部１０１は、全端末無線局１３ａ～１３ｈについての伝送速度の組合わせリストを作成して、処理をステップＳ３０８に進める。
（ステップＳ３０８）制御部１０１は、端末無線局１３ａ～１３ｈから集約無線局１１ａ、１１ｂまでのホップ数から、スループットの低下割合を導出する。すなわち、スループットはマルチホップ数に応じて低下する。制御部１０１は、あらかじめ伝送速度とホップ数に応じたスループットの低下割合をデータベース化して記憶部１０２に記憶しておき、このデータベースのデータに基づき、全端末無線局１３ａ～１３ｈについてのスループット低下割合を導出する。

（ステップＳ３０９）制御部１０１は、全ての無線チャネルの組合わせの評価が完了したか否かを判定し、全ての無線チャネルの組合わせの評価が完了していなければ（ステップＳ３０９：Ｎｏ）、処理をステップＳ３１０に進め、全ての無線チャネルの組合わせの評価が完了していたら（ステップＳ３０９：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ３１５に進める。

（ステップＳ３１０）制御部１０１は、評価対象の組合わせで全経路に無線チャネルを割当てて、処理をステップＳ３１１に進める。複数の周波数帯域、例えば２．４ＧＨｚ、４．９ＧＨｚ、５ＧＨｚ、６０ＧＨｚ帯を用いる場合は、これらの周波数帯域と各周波数帯域のチャネルから、無線チャネルの割当ての組合わせを作成する。

（ステップＳ３１１）制御部１０１は、記憶部１０２から三次元地図情報を読み込み、処理をステップＳ３１２に進める。

（ステップＳ３１２）制御部１０１は、各無線局の位置と、三次元地図情報とを参照して、評価対象の組合わせの無線チャネルの無線伝搬モデルを選択して、処理をステップＳ３１３に進める。このとき、制御部１０１は、記憶部１０２から読み出した三次元地図情報から、互いの無線局間に見通しがあるかどうか等の条件を考慮して、無線伝搬モデルを選択する。

（ステップＳ３１３）制御部１０１は、評価対象の組合わせの無線チャネルでの干渉量を導出し、処理をステップＳ３１４に進める。すなわち、隣接無線局が同一チャネルを利用する場合、干渉が発生して、スループットの低下が発生する。制御部１０１は、このことを考慮して、干渉量を導出する。

（ステップＳ３１４）制御部１０１は、干渉量によるスループット低下量を算出して、処理をステップＳ３０９に戻す。例えば、制御部１０１は、同一チャネルを用いる経路間の干渉量が閾値以上の場合には干渉ありと判定する。そして、制御部１０１は、あらかじめ干渉がある場合のスループットの低下割合をデータベース化して記憶部１０２に記憶しておき、このデータベースのデータに基づき、全端末無線局１３ａ～１３ｈについてのスループット低下割合を導出する。

ステップＳ３０９からステップＳ３１４を繰り返すことにより、チャネルの組合わせ毎のスループットの低下割合が導出される。全てのチャネルの組合わせでのスループットの低下割合が導出されると、ステップＳ３０９で、全てのチャネルの組合わせでのスループットの低下割合が導出されたと判定されることになり、ステップＳ３１５に処理が移る。

（ステップＳ３１５）制御部１０１は、伝送速度、ホップあたりのスループット劣化割合、及び無線チャネルの干渉に伴うスループットの劣化割合から、全端末無線局のスループットの組合わせリストを作成する。そして、このサブルーチン（図４のステップＳ２０３）の処理を終了して、図４のメイン処理に復帰する。

以上説明したように、本実施形態では、適応変調方式を用いてマルチホップネットワークを構築した場合でも、スループットを正しく評価でき、最適な置局設計を行うことができる。

なお、制御部１０１は、スループットの優先順位リストとして出力する際には、全ての端末無線局があらかじめ設定により定められた閾値以上のスループットになるよう置局優先順位を設定しても良い。

また、端末無線局全てのスループットを足し合わせた値が最大となるよう置局優先順位を設定しても良い。また、上述した複数の置局設計方法を組合わせて置局優先順位を設定しても良い。

以上、この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、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、ネットワークの設計支援技術に適用可能である。

１１ａ，１１ｂ…集約無線局、１２ａ～１２ｈ…中継無線局、１３ａ～１３ｈ…端末無線局、１０１制御部、１０２…記憶部、１０３…入力部、１０４…表示部、２０２…伝送レート算出部、２０３…干渉量演算部、２０４…ホップ数計算部、２０５…スループット算出部、２０６…置局優先順位設定部

Claims

適応変調を用いる無線局間を無線接続するマルチホップ無線ネットワークの置局設計装置であって、
各無線局の位置及び地形情報から各無線局間の伝送路の伝送品質を計算する伝送品質算出部と、
前記伝送品質から各無線局間の適応変調方式に基づき決定される伝送レートを導出する伝送レート算出部と、
各無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算する干渉量演算部と、
経路のホップ数を計算するホップ数計算部と、
前記伝送レート、ホップあたりのスループット劣化割合、及び周波数リソースの割当てによる干渉量から端末無線局毎のスループットを導出するスループット算出部と、
前記スループットに応じて置局優先順位を指定する置局優先順位設定部と、を備える置局設計装置。
全ての端末無線局があらかじめ設定により定められた閾値以上のスループットになるよう置局優先順位を設定する請求項１に記載の置局設計装置。
前記端末無線局全てのスループットを足し合わせた値が最大となるよう置局優先順位を設定する請求項１に記載の置局設計装置。
複数の置局設計方法を組合わせて置局優先順位を設定し、
前記置局設計方法は、全ての端末無線局があらかじめ設定により定められた閾値以上のスループットになるよう置局優先順位を設定する方法と、前記端末無線局全てのスループットを足し合わせた値が最大となるよう置局優先順位を設定する方法と、を含む請求項１に記載の置局設計装置。
適応変調を用いる無線局間を無線接続するマルチホップ無線ネットワークの置局設計方法であって、
各無線局の位置及び地形情報から各無線局間の伝送路の伝送品質を計算するステップと、
前記伝送品質から各無線局間の適応変調方式に基づき決定される伝送レートを導出するステップと、
各無線局間の周波数リソースの割当てによる干渉量を演算するステップと、
経路のホップ数を計算するステップと、
前記伝送レート、ホップあたりのスループット劣化割合及び周波数リソースの割当てによる干渉量から端末無線局毎のスループットを導出するステップと、
前記スループットに応じて置局優先順位を指定するステップと
を有する置局設計方法。