JP7440891B2

JP7440891B2 - 無線アクセスネットワークシステム

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Publication number: JP7440891B2
Application number: JP2019231428A
Authority: JP
Inventors: 克宏天間; 敏明久利; 文幸安達
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: JP2021100198A

Description

特許法第３０条第２項適用（１）平成３１年１月２４日に一般社団法人電子情報通信学会より発行された「信学技報，ｖｏｌ．１１８，ｎｏ．４３５，ＲＣＳ２０１８－２７９」の第２１５頁～２２０頁において発表した。（２）令和１年６月１日に一般社団法人電子情報通信学会より発行された「電子情報通信学会和文論文誌Ｂ，ｖｏｌ．Ｊ１０２－Ｂ，ｎｏ．６」の第４３５頁～４４４頁において発表した。

本発明は、コアネットワーク末端のネットワークノードが、第１通信方式の通信回線により端末装置と接続することで、該端末装置をコアネットワークにアクセスさせる無線アクセスネットワークシステムに関する。

無線アクセスネットワークシステムでは、電波という限られた周波数資源を用いて、より多くの携帯式無線端末装置（以下、単に端末装置という）を収容し、コアネットワークにアクセスさせるサービスを提供している。したがって、無線アクセスネットワークシステムでは、周波数利用効率の向上が永遠の課題である。また、端末装置は、通常、バッテリーによって駆動されており、端末装置ができるだけ長く持続してサービスを享受できるようにするためには、バッテリー自体の性能向上のみならず、無線通信方式としてもエネルギー利用効率の向上が図られるべきである。さらに、電波不感地帯の解消や、ＩｏＴ時代に想定される超多数の無線端末の収容といった課題などを解決できるようにするため、接続性の向上も重要な課題である。

そこで、ネットワークに接続したい複数の端末装置の位置から最適となる経路を制御装置が決定し、その経路順に端末装置同士がアドホック通信でデータのマルチホップを行う移動通信システムが提案されている（例えば、特許文献１の段落〔００３７〕～〔００４２〕、図７等を参照）。特許文献１に記載の移動通信システムによれば、アクセスポイントと接続される端末装置の数が制限されるので、周波数利用効率を向上させることができる。また、特許文献１に記載の移動通信システムによれば、比較的省電力となるアドホック通信で端末同士のデータ伝送を行うので、エネルギー利用効率を向上させることができる。

特開２０１９－７５７４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の移動通信システムでは、アクセスポイントに接続可能で、自機の位置情報を制御装置に通知できる端末装置でなければ、端末装置同士で行うマルチホップ伝送に参加することができない。すなわち、電波不感帯等にいてアクセスポイントに接続できない端末装置は、たとえ近隣の端末装置とアドホック通信可能な条件が整っていても、端末装置同士で行うマルチホップ伝送に参加できないのである。したがって、特許文献１に記載の発明では、アクセスポイントに接続できない端末装置は、ネットワークに接続できないので、接続性の向上を図れるとは言えない。

そこで、本発明は、周波数利用効率の向上、エネルギー利用効率の向上、接続性の向上を同時に達成できる無線アクセスネットワークシステムの提供を目的とする。

前記課題を解決するために、コアネットワーク末端のネットワークノードが、第１通信方式の通信回線により端末装置と接続することで、該端末装置をコアネットワークにアクセスさせる無線アクセスネットワークシステムにおいて、第２通信方式の通信回線により前記端末装置と接続可能な論理中継ノードを一つ以上用いることで、前記ネットワークノードと前記端末装置との間に追加論理網を形成し、前記追加論理網を構成する前記論理中継ノード同士は、相互通信が可能であることを特徴とする。

また、前記構成において、前記論理中継ノードは、前記第１通信方式および前記第２通信方式による通信機能に加えて、第３通信方式での通信機能を備える端末装置であって、前記第３通信方式の通信回線で接続された他の端末装置の中から、予め定めた論理中継ノード選定条件に基づいて選定された前記端末装置であっても良い。

また、前記構成において、前記論理中継ノードは、前記第１通信方式および前記第２通信方式による通信機能に加えて、第３通信方式での通信機能を備え、１つ以上の前記ネットワークノードと接続可能な場所に配置された中継装置であっても良い。

また、前記構成において、前記第３通信方式が前記第２通信方式よりも省電力であっても良い。

また、前記構成において、前記論理中継ノードは、前記第２通信方式の通信回線により前記端末装置と接続可能な前記ネットワークノードであっても良い。

また、前記構成において、前記第２通信方式が前記第１通信方式よりも省電力であっても良い。

本発明によれば、追加論理網の論理中継ノードを介して端末装置をコアネットワークに接続するので、ネットワークノードとの接続が困難な位置にある端末装置であってもコアネットワークに接続できる可能性が高まり、接続性の向上を図れる。しかも、ネットワークノードのダウン等によって論理中継ノードとネットワークノードとの接続が断たれるようなことがあっても、追加論理網の他の論理中継ノードを経由してコアネットワークに接続できることから、接続の安定性も高くなる。また、論理中継ノードを中心として構成される小セル内で周波数チャネルの繰り返し利用も可能となるので、空間的な周波数利用効率の向上を図れる。加えて、広い通信域を確保するために見晴らしの良い高所等に設置されるネットワークノードと各端末装置との離隔距離に比べて、論理中継ノードと各端末装置との離隔距離は比較的短くなり、通信による電力消費を抑えられるので、エネルギー利用効率の向上を図れる。

無線アクセスネットワークシステムの実施形態を示す概略構成図である。論理中継ノードとして機能する端末装置の概略構成図である。端末装置間で行う連携処理の一例を示すフローチャート。論理中継ノードとして配置された中継装置の概略構成図である。論理中継ノードとして機能する基地局の概略構成図である。

次に、添付図面に基づき、無線アクセスネットワークシステムの実施形態について詳述する。

図１に示す無線アクセスネットワークシステム１は、ネットワークＮＷに端末装置２を収容し、基幹通信網としてのコアネットワークに接続させるものである。従来の無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ）では、コアネットワークの末端であるネットワークノード（例えば、適所に配置された基地局３）をアクセスポイントとし、この基地局３が端末装置２と直接接続するものであった。しかしながら、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では、基地局３と端末装置２との間に、論理的に接続されたネットワーク（ＡｄｄｅｄＬｏｇｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ：追加論理網）を形成し、この追加論理網ＡＬＮを介して、各端末装置２が基地局３に収容される。なお、追加論理網ＡＬＮに参加することを拒否した端末装置２、あるいは追加論理網ＡＬＮに参加する機能を備えていない端末装置２は、従来通り、基地局３と直接接続できるようにしてもよい。

追加論理網ＡＬＮは、基本的に、論理中継ノードにより構成されるものとし、ネットワークトポロジーは特に限定されない。追加論理網ＡＬＮを形成する論理中継ノードの一例は、後述する論理中継ノード選定条件を満たしてプロキシ化した端末装置２′であり、このプロキシ化した端末装置２′が中継機能を発揮することで、近傍の他の端末装置２が間接的にネットワークＮＷに接続される。すなわち、論理中継ノードとなる端末装置２′を中心とした小セルＳＣが構成されることになる。なお、プロキシ化した端末装置２′の近傍に収容対象となる他の端末装置２が存在しない場合、その端末装置２′を中心とした小セルＳＣは構成されないが、その端末装置２′自体は論理中継ノードとして追加論理網ＡＬＮに組み込まれる。また、論理中継ノードとなった端末装置２′は、複数の基地局３と同時にリンクを確立できるようにしても良い。

中継ノードとなった端末装置２′と基地局３とは、第１通信方式の通信回線である第１無線通信回線ＷＬ１で接続されるのに対して、中継ノードとなった端末装置２′と小セルＳＣ内の端末装置２とは、第２通信方式の通信回線である第２無線通信回線ＷＬ２で接続される。第１無線通信回線ＷＬ１や第２無線通信回線ＷＬ２の通信方式は、特に限定されるものではないが、比較的長距離の通信となる第１無線通信回線ＷＬ１には消費電力の大きい通信方式を、比較的短距離の通信となる第２無線通信回線ＷＬ２には消費電力の小さい通信方式を使うことが一般的である。また、第１通信方式と第２通信方式は同一の通信方式でも良く、通信距離等に応じたビーム制御を行うことで、第１無線通信回線ＷＬ１による電力消費よりも第２無線通信回線ＷＬ２による電力消費を抑えることができれば、エネルギー利用効率の向上を図れる。

第１無線通信回線ＷＬ１としては、ＬＴＥ（４Ｇ）に代表される無線ワイドエリアネットワーク（ＷＷＡＮ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＷｉｄｅＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を用いることができる。第２無線通信回線ＷＬ２としては、ＩＥＥＥ８０２．１１規格やＷｉ－Ｆｉ（登録商標）に代表される無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＬＡＮ）を用いることができる。このように、論理中継ノードとなった端末装置２′のみがＷＷＡＮで通信し、他の端末装置２が省電力なＷＬＡＮで論理中継ノードを経由した通信を行えば、全ての端末装置２が個別にＷＷＡＮで通信を行うよりも、端末装置２全体として見た場合の通信のエネルギー利用効率が向上する。

論理中継ノードは、論理中継ノード選定条件を満たしてプロキシ化した端末装置２′に限らず、基地局３と接続可能な場所に適宜配置された中継装置４を論理中継ノードとして用いても構わない。論理中継ノード専用の中継装置４は、中継に特化してリソースを使うことができるので、端末装置２′を中継ノードとする場合よりも多くの端末装置２を収容することが可能となる。また、プロキシ化した端末装置２′が存在しない場合など、中継装置４のみで論理中継網ＡＬＮを構成する場合もある。なお、中継装置４は、基地局３と確実にリンクできる場所に固定設置されたものでも良いし、車両や無人航空機（ドローン）などに搭載されて適宜移動できるものでも良い。

また、プロキシ化した端末装置２′と同等の中継機能を有する基地局３′をネットワークノードとしても良い。この基地局３′はプロキシ機能部３″を備え、このプロキシ機能部３″が中継機能を発揮することで、通常の端末装置２をネットワークＮＷに接続させれば、論理中継ノードの実体が基地局３′となる。この場合、基地局３′のプロキシ機能部３″が第２無線通信回線ＷＬ２によって端末装置２と接続することで、プロキシ機能部３″を中心とした小セルＳＣが構成される。なお、プロキシ機能部３″は、１つの基地局３′に対して１つに制限されず、複数のプロキシ機能部３″を備えるものとし、各プロキシ機能部３″のアンテナの向きを変える等して、小セルＳＣの構成エリアを分散させるようにしても良い。或いは、パッケージ化したプロキシ機能部３″を基地局３′本体とケーブル接続して、若干離れた位置に配置することで、小セルＳＣの構成エリアを分散させるようにしても良い。

また、追加論理網ＡＬＮを構成する各論理中継ノード（プロキシ化した端末装置２′、中継装置４、基地局３′のプロキシ機能部３″等）は、相互通信が可能である。すなわち、論理中継ノード同士が互いに繋がることで、アクセスポイントとして機能する基地局３の収容範囲に制限されない、広域の追加論理網ＡＬＮが形成されるのである。例えば、災害などで基地局３がダウンしたために、論理中継ノードが近傍の基地局３に接続できない場合でも、近隣の論理中継ノードを経由してコアネットワークに接続させることも可能となり、冗長で信頼性の高い無線アクセスネットワークシステム１となる。

論理中継ノード同士の接続では、１つの論理中継ノードがより多くの論理中継ノードと接続することで、追加論理網ＡＬＮの冗長性を高めることができる反面、他の論理中継ノードとのリンクを維持するための電力消費も増大する可能性がある。そこで、回線品質の良い２～３程度の論理中継ノードとだけリンクを維持するように制限しても良い。なお、論理中継ノード同士の接続に用いる通信方式も特に限定されるものではないが、本実施形態では、第２無線通信回線ＷＬ２を用いるものとした。

また、基地局３′のプロキシ機能部３″も論理中継ノードの一つであるものの、実態は基地局３′そのものであるから、敢えて他の論理中継ノードと第２無線通信回線ＷＬ２によって接続する必要はない。しかしながら、何らかの事情で第１無線通信回線ＷＬ１での接続が断たれた場合でも、基地局３′のプロキシ機能部３″が第２無線通信回線ＷＬ２によって他の論理中継ノードと接続していれば、追加論理網ＡＬＮ内の各論理中継ノードは、プロキシ機能部３″を介して基地局３′との接続を保持できる。

上述した本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では、エネルギー利用効率の向上、周波数利用効率の向上、接続性の向上という目標を同時に達成することが可能である。以下、これについて説明する。

＜エネルギー利用効率の向上＞
公衆携帯電話網では一般に、基地局３と端末装置２は常に近接しているわけではなく、所要の通信品質を満たすためには伝送距離に応じた相応の送信電力が必要となる。そのため、従来型の無線アクセスネットワークでは、広い通信域を確保するために見晴らしの良い高所等に設置される基地局３と全ての端末装置２が接続するための送信電力が必要となる。一方、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では、基地局３と接続するために論理中継ノードとなる端末装置２′のみが相応の送信電力を消費するものの、その近隣の端末装置２はプロキシ化した端末装置２′との接続に必要な送信電力を消費するだけで済む。また、論理中継ノードになる端末装置２′を持ち回りできるようにすれば、全ての端末装置２で考えた場合、全体としても送信電力を抑制できる。言い換えると、全端末装置２のバッテリー容量の総量が同じであれば、従来型の無線アクセスネットワークより、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１の方が、全端末装置２でより長く通信を行えるようになる。したがって、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１は、エネルギー利用効率を向上できる。

＜周波数利用効率の向上＞
無線アクセスネットワークシステム１によれば、論理中継ノードとなる端末装置２′に接続する近隣の端末装置２の送信電力を必要十分な電力にまで抑制することにより、それらの接続に使われる無線アクセス技術（ＲａｄｉｏＡｃｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の空間的なエリアを狭めることも可能となる。これにより、論理中継ノードとなる端末装置２′を中心とした小セルＳＣが構成されることになり、かつ、ＲＡＴで使われる周波数チャネルの繰り返し利用も可能となる。したがって、無線アクセスネットワークシステム１は、空間的な周波数利用効率を向上できる。

＜接続性の向上＞
品質の高い通信を行うためには見通し通信を行うことが一般的には有利であるが、実利用環境においては、全ての端末装置２が基地局３と見通し通信を行うことは困難である。従来型の無線アクセスネットワークでは、見通し外通信となって所望の通信品質が得られないような場合、リピータや再生中継網などを用いて対処する必要が生ずる。一方、無線アクセスネットワークシステム１を用いれば、見通し通信が可能な端末装置２が論理中継ノードとなって、見通し外通信エリアにいる端末装置２を収容できれば、追加でリピータや再生中継網などを設ける必要がない。したがって、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１によれば、リピータや再生中継網などを用いることなく、シャドウイング問題を解決でき、接続性を向上できる。

また、無線アクセスネットワークシステム１の利用者が所持する端末装置２は移動できるということを勘案すると、固定的に設置されるリピータや再生中継網と比べて、見通し内外の動的変化に対しても柔軟に対応できるという優位性がある。さらに、５Ｇ移動通信システムのシナリオで想定されているＩｏＴ時代の多数同時接続に関しても、前述した空間的周波数利用効率の向上も相まって、より多くの端末装置２（ＩｏＴという観点では、一つのセンサーと考えても良い）がＲＡＮに接続できるようになる。これらのことからも、無線アクセスネットワークシステム１は、従来型の無線アクセスネットワークに比べて接続性を向上できる。

また、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１は、エネルギー利用効率の向上、空間的な周波数利用効率の向上、端末接続性の向上以外にも、従来型ＲＡＮを用いた無線通信システムにはない特徴も有する。

＜柔軟なグループモビリティの実現＞
グループモビリティとは一般に、自動車や電車、飛行機などある閉空間内に存在する複数の端末装置２がひとかたまりとなって通信環境を形成し、それが一体となって移動できる状況を示している。本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では、論理中継ノードとなる端末装置２′を中心として近傍の複数端末装置２とグループを形成している。このグループは閉空間であるとは限らないが、小セル通信環境を形成しながら一緒に移動することも可能であることから、潜在的にグループモビリティとしての特徴を有している。また、閉空間に限定していないため、グループを動的に形成・変更できる自由度も有していることから、機動性と柔軟性を有する。

＜基地局を介さない端末装置間の通信＞
無線アクセスネットワークシステム１は、追加論理網ＡＬＮを備えることにより、基地局３を介さない端末装置２同士での通信も可能となる。これは基地局３が見通し外にあるときでも近隣の端末装置２同士で通信ができるようになるだけでなく、基地局３の通信負荷の軽減、基地局３と端末装置２との間で行う通信の周波数資源の使用節約などにも繋がる。

＜自律分散／仮想化／遅延耐性向上＞
近年のスマートフォンの機能や性能の急速な進展により、端末装置２自体を一つの計算リソース（サーバ）と見なすこともできるようになってきた。無線アクセスネットワークシステム１では、追加論理網ＡＬＮにより、論理中継ノードとなる端末装置２′を処理サーバとした自律分散ネットワークや、サーバ機能を論理分割することによる仮想化ネットワークを形成することが可能である。あるいは、中継データの一時保存による遅延耐性ネットワーク（ＤＴＮ：ｄｅｌａｙｔｏｌｅｒａｎｔｎｅｔｗｏｒｋ）を追加論理網ＡＬＮにより形成することも可能となる。また、ネットワークＮＷの基地局３から上位部分で障害が発生した時などでも、論理中継ノードとなる端末装置２′を中心とした小セルＳＣが構成されていれば、小セルＳＣ内に含まれる端末装置２間での通信確保も可能となる。さらに、大規模災害時など事業者側の無線通信設備が使えず、公衆網が途絶するような事態が発生しても、論理中継ノードによる追加論理網ＡＬＮが機能していれば、安否確認や被害状況だけでも情報交換できる環境を保てる。

＜大規模ＭＩＭＯとの協調＞
５Ｇ移動通信システムでは大規模ＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）が使われるのは必至であるが、そのビーム制御の複雑さが課題となっている。従来型ＲＡＮでは、全ての端末装置２に対して最適化するビーム制御を行うとなると、アンテナ規模を拡大しなければなくなる。あるいは、アンテナ規模をある程度に制限した上で、設置する基地局３を増やさなければならなくなる。一方、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１における追加論理網ＡＬＮでは、理論的には自由なサイズの空間分割化が可能であることから、大規模ＭＩＭＯへの厳しい要求を緩和できる。さらに、大規模ＭＩＭＯと無線アクセスネットワークシステム１を適材適所で使い分けて併用すれば、集中ＭＩＭＯと協調した様々な空間的粒度の小セル化を実現できる。

＜分散ＭＩＭＯとの協調＞
物理的な観点からすると、モバイルフロントホールによる分散ＭＩＭＯが小セル化には最も優れているが、モバイルフロントホールを形成するためのネットワーク構築が課題である。最近、光アクセス網をモバイルフロントホールに活用することが議論されている。しかしながら、細部にまで光ファイバを敷設することは経費や時間、敷設場所確保の観点で困難なこともある。そのため、無線アクセスネットワークシステム１と併用・協調することで、分散ＭＩＭＯへの要求を大幅に緩和できる。

＜システムマイグレーション＞
本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では基本的に、端末装置２側から見て基地局３より背後にあるネットワークは従来型ＲＡＮと同じ構成である。よって、基本的には既存システムの更新や入れ替えをすることなく、追加論理網ＡＬＮを形成する機能を付加するだけで、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１へ移行できる。また、従来のＲＡＮはそのまま使用できることから、追加論理網ＡＬＮを利用せずに、ネットワークアクセスサービスを提供することも可能である。例えば、論理中継ノードとなることを拒む、もしくは、論理中継ノードと接続できない端末装置２があったとしても、当該端末装置２は、従来通り基地局３と接続させれば、ネットワークアクセスサービスを提供できる。したがって、本実施形態の無線アクセスネットワークシステム１では、追加論理網ＡＬＮを利用できない端末装置２が存在しても、無線システム全体として特に影響はなく、継続してサービスを稼働させることができる。

上述した無線アクセスネットワークシステム１において、近隣の端末装置２の中から代表を選定して論理中継ノードとするためには、端末装置２同士で連携を図る端末間連携技術が必要である。小セルＳＣを構成できる範囲内に存在する端末装置２同士は、互いの距離が近く、前述した第１通信方式や第２通信方式よりも省電力で短距離向けの第３通信方式を用いることができる。第３通信方式も特に限定されるものではないが、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ＬｏｗＥｎｅｒｇｙ（ＢＬＥ）に代表される無線パーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｅｒｓｏｎａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を用いることができる。また、第３通信方式は第１通信方式や第２通信方式と同一の通信方式でも良く、通信距離等に応じたビーム制御を行うことで、第１，第２無線通信回線ＷＬ１，ＷＬ２による電力消費よりも第３無線通信回線ＷＬ３による電力消費を抑えることができれば、エネルギー利用効率の向上を図れる。

図２に、論理中継ノードとして機能する端末装置２′の概略構成を示す。端末装置２′は、論理中継ノードとして機能していないときは、通常の端末装置２であり、一般的な携帯無線端末装置と同等の機能を備えている。図２の端末装置２′においては、携帯無線端末装置が標準的に備えているキャリア通信機能、ネットワークアクセス機能、アプリケーション実行機能、操作入力機能、表示機能、音声出力機能等については省略してある。なお、論理中継ノードとなった端末装置２′は、他の端末装置２に対する中継動作と並行して自端末のネットアクセス処理等も行うので、その負荷も考慮して、収容する端末装置２の数に上限を設けるようにしても良い。また、演算部２１や記憶部２２は、端末装置２′が持つハードウェア資源を独占して構成されたものに限る必要はなく、該資源をネットワーク機能仮想化（ＮＦＶ：ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）して割り当てたものであっても良い。

端末装置２′は、追加論理網ＡＬＮを形成したり、追加論理網ＡＬＮを利用してネットにアクセしたりするために、例えばＣＰＵ構成の演算部２１によって様々な演算処理を行い、該演算部２１の処理に必要な情報を記憶部２２に記憶しておく。端末装置２′の第１無線通信機能部２３ａは、基地局３と第１無線通信回線ＷＬ１で接続するための通信制御を行う。第２無線通信機能部２３ｂは、論理中継ノードと端末装置２との間および論理中継ノード同士を第２無線通信回線ＷＬ２で接続するための通信制御を行う。第３無線通信機能部２３ｃは、近隣の端末装置２同士を第３無線通信回線ＷＬ３で接続するための通信制御を行う。

これら第１～第３無線通信機能部２３ａ～２３ｃは、全ての端末装置２が備えているものとし、何れの端末装置２であっても、論理中継ノード選定条件を満たせば、プロキシ化した端末装置２′として中継動作を行うことが可能である。例えば、端末装置２ａと端末装置２ｂと端末装置２ｃが第３無線通信回線ＷＬ３（例えば、ＷＰＡＮ）で互いの情報を共有し、その中で、端末装置２ａが論理中継ノード選定条件を満たした場合、端末装置２ａがプロキシ化した端末装置２′となり、端末装置２ｂ，２ｃに対して中継を行うのである。また、論理中継ノードとなった端末装置２′は、近隣のプロキシ化した端末装置２′や中継装置４と第２無線通信回線ＷＬ２（例えば、ＷＬＡＮ）で接続し、追加論理網ＡＬＮに組み込まれる。

端末装置２′を決定するための情報共有に、極省電力なＷＰＡＮを利用すれば、情報共有のための電力消費を最小限に抑えられる。また、論理中継ノードとなる端末装置２が適宜に持ち回りとなるような論理中継ノード選定条件を設定しておけば、特定の端末装置２だけが長期間にわたって論理中継ノードとして動作する負担を減らし、極端な不公平が生じないようにできる。

図３に、端末間連携処理の一例を示す。電源投入などでネットワークアクセスを開始するとき、先ず、ＢＬＥスキャンを行って回りのアドバタイズフレームを受信する（ステップＳ１）。なお、ＢＬＥスキャンは、以後、定期的に行い、近隣の端末装置２から送信されたアドバタイズフレームを受信する。アドバタイズフレームには、例えば、端末装置２のＩＤ、現在の位置情報、評価値等が含まれており、スキャン範囲内の端末装置２間で情報共有できる。

続いて、端末装置２は、自端末の評価値を算出する（ステップＳ２）。評価値Ｚは、例えば、式（１）で表される。式（１）中、Ｅ_remainingは端末装置２のバッテリー残量〔ｍＡｈ〕、Ｅ_maxは端末装置２のバッテリー容量〔ｍＡｈ〕、Ｐ_rxは第１無線通信回線ＷＬ１（例えばＬＴＥ）の受信電波強度ＲＳＲＰ〔ｄＢｍ〕である。すなわち、この評価値Ｚは、バッテリーの持ちが良く、基地局３との安定した接続が可能であることの指標となり、評価値Ｚが高い端末装置２ほど、論理中継ノードに適していると判断できる。よって、論理中継ノード選定条件を「小セルＳＣを構成可能な全ての端末装置２の中で、最も評価値Ｚが高いこと」に設定すれば、その時点で最もふさわしい端末装置２が論理中継ノードに選定されることとなる。

そこで、式（１）によって自端末の評価値を算出したら、回りから受信した評価値と自端末の評価値とを比較し、自端末が最高値か否かを判定する（ステップＳ３）。自端末が最高値であれば、論理中継ノード選定条件を満たしているので、自らがプロキシ化して端末装置２′となり、基地局３と接続し、他の端末装置２に対するＷｉ－Ｆｉ中継を開始し（ステップＳ４）、ＢＬＥアドバタイズを開始する（ステップＳ５）。

上記のようにして論理中継ノードに選定された端末装置２′のバッテリー残量が減ったり、基地局３から遠ざかるように移動して電波強度が落ちたりすると、自端末の評価値Ｚが下がる。或いは、端末装置２′を中心とした小セルＳＣ内に評価値の高い端末装置２が入ってくると、上記ステップＳ３で自端末の評価値Ｚが最高値でなくなるため、ＢＬＥアドバタイズを停止し（ステップＳ６）、Ｗｉ－Ｆｉ中継を停止する（ステップＳ７）。これにより、論理中継ノードであった端末装置２′は一般の端末装置２に戻る。これと並行して、最も評価値が高かった端末装置が新たな論理中継ノードとなり、その端末装置２′がＷｉ－Ｆｉ中継を開始すると共に、ＢＬＥアドバタイズを開始する。

次いで、自端末以外の評価値を取得したか否かを判定する（ステップＳ８）。新たに論理中継ノードとなった端末装置２′がＢＬＥアドバタイズを開始していれば、自端末以外の評価値を取得しているので、新たな論理中継ノードである端末装置２′に対するＷｉ－Ｆｉ接続を開始する（ステップＳ９）。一方、上記ステップＳ８で自端末以外の評価値を取得していないと判定された場合は、新たな論理中継ノードとなる端末装置２′が未だ適正に機能していない可能性があるので、一旦ステップＳ２へ戻る。

上記のように、一般の端末装置２としてＷｉ－Ｆｉ接続を開始してから、予め定めた論理中継ノード更新期間が経過してＷｉ－Ｆｉが切断されたり、接続タイムアウトが生じたりした場合は、上記ステップＳ２へ戻り、改めて、論理中継ノードの選定を行う。なお、評価値Ｚのみで論理中継ノードを選定すると、同じ端末装置２が長期間に亘って論理中継ノードとなる可能性もあるので、例えば、論理中継ノードの役割を上限連続回数まで務めた端末装置２は除外し、他の端末装置２から新たな論理中継ノードの選定を行うようにしても良い。

上記のようにして論理中継ノードとなった端末装置２′は、近隣の論理中継ノードとなっている端末装置２′や中継装置４と相互接続する。論理中継ノード同士が相互接続するための通信方式や通信プロセスは、特に限定されない。例えば、ＷＤＳ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）によるリレーネットワークやＩＥＥＥ８０２．１１ｓによるメッシュネットワークの構築技術があり、これらを活用することで実現できる。

図４に、論理中継ノードとして機能する中継装置４の概略構成を示す。中継装置４は、論理中継ノード専用の装置であり、追加論理網ＡＬＮを形成するために、演算部４１によって様々な演算処理を行い、該演算部４１の処理に必要な情報を記憶部４２に記憶しておく。中継装置４の第１無線通信機能部４３ａは、基地局３と第１無線通信回線ＷＬ１で接続するための通信制御を行う。第２無線通信機能部４３ｂは、端末装置２との間および論理中継ノード同士を第２無線通信回線ＷＬ２で接続するための通信制御を行う。第３無線通信機能部４３ｃは、近隣の端末装置２と第３無線通信回線ＷＬ３で接続するための通信制御を行う。なお、演算部４１や記憶部４２は、中継装置４が持つハードウェア資源を独占して構成されたものに限る必要はなく、該資源をネットワーク機能仮想化（ＮＦＶ：ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）して割り当てたものであっても良い。

中継装置４は、端末装置２に対して中継を行う専用装置であるから、常に、論理中継ノード選定条件を満たして、論理中継ノードに選定されるようにしなければならない。そのため、一般的な端末装置２では実現できないほど高い評価値を中継装置４に設定しておき、必ず中継装置４が論理中継ノードに選定されるようにしても良い。あるいは、端末装置４のＩＤを予め特別ＩＤに設定しておき、情報共有した中に特別ＩＤが含まれていた場合には、無条件で特別ＩＤを論理中継ノードと認めるようにしても良い。

この中継装置４と近隣の端末装置２との間で行う連携処理は、前述した端末装置２′と同様に、第３無線通信回線ＷＬ３で評価値を共有すれば、中継装置４が論理中継ノードとなり、中継装置４が中心となって近隣の端末装置２と小セルＳＣを構成できる。また、論理中継ノードとなった中継装置４が他の論理中継ノードと相互接続するための通信方式や通信プロセスも、特に限定されず、例えば、ＷＤＳによるリレーネットワークやＩＥＥＥ８０２．１１ｓによるメッシュネットワークの構築技術を適用しても良い。

図５に、プロキシ化した端末装置２′と同等の中継機能を有するプロキシ機能部３″を設けた基地局３′の概略構成を示す。基地局３′は、アクセスポイントとして端末装置２（プロキシ化した端末装置２′を含む）や中継装置４をコアネットワークに接続させる基本機能を備えると共に、自らが中心となって複数の端末装置２を接続した小セルＳＣを構成できる。なお、図５においては、基地局３′の基本機能は省略し、プロキシ機能部３″が論理中継ノードとして機能するための構成のみ示してある。

プロキシ機能部３″は、論理中継ノードとしての機能を実行するため、演算部３１によって様々な演算処理を行い、該演算部３１の処理に必要な情報を記憶部３２に記憶しておく。なお、演算部３１や記憶部３２は、プロキシ機能部３″のハードウェア資源を独占して構成されたものに限る必要はなく、該資源をネットワーク機能仮想化（ＮＦＶ：ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）して割り当てたものであっても良い。また、プロキシ機能部３″には、端末装置２を第２無線通信回線ＷＬ２で接続するための第２無線通信機能部３３ｂを設けてある。なお、基地局３′は、アクセスポイントとして動作するために必須である第１無線通信機能部３３ａを備え、端末装置２′や中継装置４と第１無線通信回線ＷＬ１で接続する機能に加えて、プロキシ機能部３″が第２無線通信回線ＷＬ２で端末装置２と接続する機能を有する。

基地局３′は、特別な条件が成立したときだけプロキシ機能部３″を有効にするものでも良いが、本構成例の基地局３′では、常にプロキシ機能部３″を動作させておき、論理中継ノードとして一般の端末装置２と接続できるようにした。プロキシ機能部３″の第２無線通信機能部３３ｂは常に動作しているので、そのホットスポット内に端末装置２が入ってくると、所要のセキュリティ認証等を経て当該端末装置２と第２無線通信回線ＷＬ２で接続し、コアネットワークにアクセスさせるのである。また、プロキシ機能部３″のホットスポットから端末装置２が外れそうになるとスループットが低下してゆくので、スループットが所定の下限値を下回ったところで、プロキシ機能部３″は当該端末装置２との第２無線通信回線ＷＬ２を切断する。プロキシ機能部３″との接続を断たれた端末装置２は、通常通り、近隣の端末装置２との間で連携処理を行い、プロキシ化した端末装置２′と接続したり、自らがプロキシ化して他の端末装置２の中継を担うようになったりする。

なお、プロキシ機能部３″が端末装置２と第２無線通信回線ＷＬ２での接続を確立するプロセスは、特に限定されるものではない。例えば、第２無線通信回線ＷＬ２がＷｉ－Ｆｉである場合、プロキシ機能部３″はＷｉ－Ｆｉ親機として、端末装置２はＷｉ－Ｆｉ子機として動作させることができるので、周知のＷｉ－Ｆｉ接続プロセスを用いれば、プロキシ機能部３″と端末装置２との接続を実現できる。

以上、本発明に係る無線アクセスネットワークシステムを実施形態に基づき説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての無線アクセスネットワークシステムを権利範囲として包摂するものである。

１無線アクセスネットワークシステム
２端末装置
２′ 端末装置（論理中継ノード）
３基地局
３′ 基地局（論理中継ノード機能付き）
３″ プロキシ機能部
４中継装置
ＡＬＮ追加論理網
ＳＣ小セル
ＷＬ１第１無線通信回線
ＷＬ２第２無線通信回線

Claims

コアネットワーク末端のネットワークノードが、第１通信方式の通信回線により端末装置と接続することで、該端末装置をコアネットワークにアクセスさせる無線アクセスネットワークシステムにおいて、
第２通信方式の通信回線により前記端末装置と接続可能なサーバ機能を有する論理中継ノードを一つ以上用いることで、前記ネットワークノードと前記端末装置との間に追加論理網を形成し、
前記追加論理網を構成する前記論理中継ノード同士は、前記サーバ機能を論理分割することによる仮想化ネットワークを自律的に形成可能であることを特徴とする無線アクセスネットワークシステム。
前記論理中継ノードは、前記第１通信方式および前記第２通信方式による通信機能に加えて、第３通信方式での通信機能を備える端末装置であって、前記第３通信方式の通信回線で接続された他の端末装置の中から、予め定めた論理中継ノード選定条件に基づいて選定された前記端末装置であることを特徴とする請求項１に記載の無線アクセスネットワークシステム。
前記論理中継ノードは、前記第１通信方式および前記第２通信方式による通信機能に加えて、第３通信方式での通信機能を備え、１つ以上の前記ネットワークノードと接続可能な場所に配置された中継装置であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無線アクセスネットワークシステム。
前記第３通信方式が前記第２通信方式よりも省電力であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の無線アクセスネットワークシステム。
前記論理中継ノードは、前記第２通信方式の通信回線により前記端末装置と接続可能な前記ネットワークノードであることを特徴とする請求項２～請求項４の何れか１項に記載の無線アクセスネットワークシステム。
前記第２通信方式が前記第１通信方式よりも省電力であることを特徴とする請求項１～請求項５の何れか１項に記載の無線アクセスネットワークシステム。