JPH11509717A - ハンドオフを利用するダイナミック負荷バランシングの方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スペクトル拡散多重キャリア・ワイヤレス通信システムにおいて一般的な負荷不均衡現象の悪影響を緩和するため、システムは通信システム内の複数のキャリア間で、呼トラヒック（一般的には「負荷」という）のバランスをとるための手段として、ハンドオフの利用を有利に採用する。多重キャリア・ワイヤレス通信システムは、通信システムにおける複数のキャリアのそれぞれの負荷に対応する複数のメトリックを監視し、このメトリックに基づいて、複数のキャリア間で呼トラヒックをハンドオフし、それにより本発明に従って負荷不均衡に伴う悪影響を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】 ハンドオフを利用するダイナミック負荷バランシングの 方法および装置 発明の分野 本発明は、一般にワイヤレス通信システムに関し、さらに詳しくは、ハンドオ フを利用する負荷バランシングの方法および装置に関する。 発明の背景 ワイヤレス通信システムは周知であり、陸上移動無線機，セルラ無線電話（ア ナログ・セルラ，デジタル・セルラ，パーソナル通信システム（ＰＣＳ）および 広帯域デジタル・セルラ・システムを含む）ならびに他の種類の通信システムを 含め多数の種類からなる。例えば、セルラ無線電話通信システムでは、多数の通 信セルは一般に、通常一つまたはそれ以上の基地局コントローラ（ＢＳＣ：base station controller）にリンクされ、基地局システム（ＢＳＳ：base station system）を形成する基地局（ＢＳ：base station）によって構成される。一方、 ＢＳＣは、ＢＳＳと公衆電話交換網（ＰＳＴＮ：public switched telephone network）との間で接続を行い、また他のＢＳＳへの相互接続も行う 移動交換局（ＭＳＣ：mobile switching center）にリンクされる。あらゆる種 類およびスタイルの移動／携帯無線装置を含む遠隔通信ユニット（または移動局 ）（ＭＳ：mobile station）は、通信セル内で動作し、担当ＢＳＳに信号を送信 し（逆方向リンク）、また担当ＢＳＳから信号を受信する（ダウンリンク）。信 号はＢＳ、ＢＳＣおよびＭＳＣによって処理され、別のＭＳとの通信トランザク ションまたはＰＳＴＮを介して陸線電話ユーザへの通信トランザクションを完了 する。 上記のように、基地局は一つまたはそれ以上のトランシーバを介して加入者と ワイヤレス通信システムとの間でＲＦインタフェース（キャリアと呼ばれる場合 が多い）を提供する。キャリアの動作特性は、特定の通信システムの変調方式に よって異なる。例えば、アナログ・ワイヤレス通信システムでは、キャリアは一 人の加入者に対処する一本の周波数からなり、そのため加入者間の干渉は、キャ リアを有効スペクトル全体で分散させることにより最小限に抑えられる。時分割 多元接続（ＴＤＭＡ）デジタル通信システムでは、キャリアは一本の周波数を占 めるが、キャリアは多数のタイムスロットに分割され、タイムスロットが存在す るだけ多くの加入者に対処できる。アナログおよびＴＤＭＡシステムでは、通信 システムは静的に負荷のバランスをとる。言い換えると、システムの負荷は、通 信システ ムで採用される周波数割当ておよび周波数再利用パターンを介して予め決定され る。 符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）ワイヤレス通信システムなどスペクトル拡散シ ステムでは、キャリアは数メガヘルツの広帯域周波数を占め、ここで多数の加入 者は、固有の疑似直交符号シーケンス(quasi-orthogonal code sequence)によっ て分離された対応する多数のチャネル（通信資源）を占める一つのキャリア上に 常駐する。このシステムでは、各キャリア上で有効なチャネル数は静的ではなく 、各加入者によって利用される資源の量に応じて可変である。このような可変性 の理由は、多数のキャリアが同じ周波数を同時に占めるシステムにおいて、各加 入者に関する送信電力は同一キャリア上の他の加入者にとって「雑音」となるた めである。各加入者に関する送信電力がＣＤＭＡシステム内の同一キャリア上の 他の加入者にとって実質的に余分な雑音となるこの現象は、「システム・ライズ (system rise)」と呼ばれることが多い。従って、一般にこのようなキャリアの 容量は、適切な品質レベル（例えば、特定のフレーム削除レート）を与えるため にシステム・ライズ（Ｎｏ）を克服するのに必要なビットあたりのエネルギ（Ｅ ｂ）に関連する。 上記の非スペクトル拡散システムでは、通信システムは一般に、発呼時にシス テム内の複数のキャリア間で呼トラヒック（または負荷）のバランスをとってい た。すなわち、 発呼時の加入者の大まかな位置に基づいて、システムは呼を処理するための有効 なキャリアを割り当てる。しかし、実際の経験から、多重キャリア・スペクトル 拡散通信システムにおいて発呼時に負荷のバランスを単純にとることは負荷の不 均衡につながることが判明した。 負荷の不均衡とは、加入者をキャリアに割り当てた後に、システム内の第１キ ャリアがシステム内の他のキャリアよりもかなり多くの加入者集団をサポートす る状況と定義される。このような状態では、多数の加入者をサポートするキャリ アは電力割り増しでサポートしなければならず、その結果、システム・ライズが 増加する。これらのシステムの容量は所定の品質レベルを提供するためにシステ ムがサポートできる加入者の数（Ｅｂ／Ｎｏ）として定義されるが、システム・ ライズ（Ｎｏ）を不当に増加させるような状況はシステム容量に対して悪影響を 及ぼすことが明らかである。実際の経験から、この負荷不均衡は一部のキャリア を過負荷状態にするため、加入者に対する音声品質が劣化し、一方、同じネット ワーク内の他のキャリアには余分な容量があることが判明する。ピーク利用期間 中に、この問題は顕著になり、そのためあるキャリアから呼が欠落することがあ る一方で、同じシステム内の他の利用可能なキャリアは利用されないことすらあ る。 従って、通信システム内のキャリア間で呼トラヒックをダイナミックにバラン スをとるための方法および装置が必 要となる。 図面の簡単な説明 第１図は、多重キャリア・ワイヤレス通信システム内の複数のキャリア間でト ラヒック負荷のバランスをとるための従来の方法をフロー図形式で概略的に示す 。 第２図は、本発明に従って実行される、多重キャリア・ワイヤレス通信システ ム内の複数のキャリア間でトラヒック負荷のバランスをとるための好適な実施例 をフロー図形式で概略的に示す。 第３図は、トラヒック負荷のバランスをとる各方法を利用して、多重キャリア ・ワイヤレス通信システム容量のシミュレーション結果をグラフ形式で概略的に 示す。 第４図は、システム加入者がクラス・カテゴリに分割された、ワイヤレス通信 システムの図を概略的に示す。 第５図は、本発明により負荷メトリックおよび位置予測メトリックを利用して システム負荷のバランスをダイナミックにとるための装置を概略的に示す。 好適な実施例の詳細な説明 上記の負荷不均衡現象の悪影響を緩和するため、多重キャリア・ワイヤレス通 信システムは、通信システム内の複 数のキャリア間で呼トラヒック（一般に「負荷」という）のバランスをとるため の手段として、ハンドオフの利用を有利に採用する。多重キャリア・ワイヤレス 通信システムは、通信システム内の複数のキャリアのそれぞれの負荷に対応する 複数のメトリックを監視し、このメトリックに基づいて、複数のキャリアに対し 、および複数のキャリア間で呼トラヒックをハンドオフし、それにより通信シス テムの容量および呼品質を改善する。 第１実施例では、ハンドオフを利用して多重キャリア・ワイヤレス通信システ ムにおいて負荷のバランスをダイナミックにとるための方法が開示され、この方 法は、まず最初に、複数のキャリアのうちの第１キャリア上の負荷の量(quantit y)および／または質(quality)に対応するワイヤレス通信システムのメトリック を監視する段階によって構成される。システムはこのメトリックを評価し、適切 ならば、余分な利用可能な容量を有する第２キャリアを識別する。第２キャリア が識別されると、通信システムは、第１キャリアから第２キャリアにハンドオフ するために、第１キャリア上に常駐する適切な加入者候補を選択し、それにより 第１キャリアに関するメトリックを改善する。 別の実施例では、ハンドオフを利用して多重キャリア・ワイヤレス通信システ ムにおける複数のキャリア間で呼トラヒック（負荷）のバランスをとるための装 置が開示される。この装置は、複数のキャリアのそれぞれについて負荷 の量および／または質に対応する一つまたは複数のメトリックを追跡する監視装 置によって構成される。この監視装置に動作可能に結合されるのは、監視される メトリックのうちのいずれかが許容可能閾値以下に低下したかどうかを判定する 手段である。この判定手段に動作可能に結合されるのは、ハンドオフ無効装置(h andoff override device)であり、この装置は判定手段に基づいて利用可能な容 量を有する第２キャリアを識別し、通常ハンドオフ無効機構は、第１キャリアか ら第２キャリアに優先加入者(preferential subscriber)の速やかなハンドオフ を実行する。このように、システム容量および呼品質の両方は本発明に従って改 善される。 さらに第３実施例では、多重キャリア・ワイヤレス通信システムは、ネットワ ーク内の加入者の位置を監視することによりワイヤレス通信システム内の複数の キャリア間で複数の加入者の負荷のバランスをダイナミックにとり、また差し迫 った負荷不均衡を予測して、システム内で第１キャリアから第２キャリアに優先 加入者をハンドオフする。動作時に、このようなシステムは、位置判定装置に動 作可能に結合された多重キャリア・ワイヤレス通信システムにおいて複数のキャ リアのそれぞれについて負荷メトリックを監視する手段によって構成される。コ ントローラ・ユニットは少なくとも監視手段および位置判定装置から入力を受け て、複数の加入者のうちいずれかのハンドオフがシス テム性能全体を改善するかどうかを判定する。加入者を再割当てすればシステム 性能が改善すると、受け取った入力に基づいてコントローラが判断した場合、コ ントローラは通信システムに優先候補加入者を選択するように指示し、第１キャ リアから第２キャリアにこの加入者のハンドオフを実行し、それにより本発明に 従って負荷不均衡に伴う性能劣化を緩和する。 第１図は、多重キャリア・ワイヤレス通信システム内の複数のキャリア間で呼 トラヒック（負荷）のバランスをとるための従来の方法を、フロー図形式で概略 的に示す。一般に、複数のキャリア間でこの静的に負荷バランスをとる方法を採 用する多重キャリア・ワイヤレス通信システムは、発呼時にシステム負荷を判定 し、呼を適切なキャリアに割り当てるにすぎない。適切なキャリアの判定は、発 呼時にどのキャリアがもっとも負荷が軽いかを判定することに一般に制限される 。しかし、このようなシステムへの制限では、このようなシステムのユーザのダ イナミックな性質を考慮に入れない。特に、従来のシステムは、ユーザにサービ スを提供する適切なキャリアを計算する際に、「典型的な」加入者の移動性およ び呼期間を表すために定数項を利用する。 具体的には、第１図のステップ１０２において、加入者（ユーザともいう）は 多重キャリア・ワイヤレス通信システムにアクセスすることを試みる。ステップ １０４におい て、通信システムは通信システム内の複数のキャリアについて現在システム負荷 ／キャリア利用可能性(current system loading/carrier availability)を判定 する。次に、通信システムは、ステップ１０６に示すように、加入者のアクセス 要求を受け入れるための利用可能なキャリアが存在するかどうかを判定する。ス テップ１０６において、別の加入者を受け入れることができないと通信システム が判断した場合、ステップ１０８においてアクセスの試みを拒絶し、加入者に「 システム・ビジー(system busy)」信号を送出する。あるいは、ステップ１０６ において、別の加入者を受け入れるための容量があると通信システムが判断した 場合、ステップ１１０に示すように加入者を利用可能なキャリアに割り当てる。 最後に、ステップ１１２において、加入者が特定のキャリアに割り当てられた後 、通信システムは呼の中継を完了する。 加入者を受け入れるべきかどうか、またどのチャネルに加入者を割り当てるの かを通信システムが判断する際の基準は、多くの機器メーカの間で異なる。加入 者を受け入れる判断は、システム・ライズ（雑音フロア(noise floor)と干渉雑 音として定義される），信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）または、単純に、現在処理中の 呼の数を監視することによって行うことができる。選択した基準に関係なく、ワ イヤレス通信システム動作環境の複雑さについてより「寛容な」ダイナミックな 適応型通信システムを可能にする改善を、 従来システムにおいて行うことができる。このようなシステムについて、第２図 を参照して説明する。 第２図は、本発明に従って実施される、多重キャリア・ワイヤレス通信システ ム内の複数のキャリア間でトラヒック負荷のバランスをとるための好適な実施例 を、フロー図形式で概略的に示す。この適応型システムにおいて、トラヒック負 荷はリアルタイムに監視され、通信システムは、負担過剰なキャリアから、余分 な容量を有すると判定されたキャリアに、呼トラヒックをダイナミックに再割当 てする。 第２図に詳述する本発明の方法の動作は、ステップ１１２まで従来技術と同じ である。第２図の方法は従来技術を拡張し、ここでステップ２１４において、通 信システムは負荷メトリックを監視する反復的プロセスを開始し、ステップ２１ ６において更新されたメトリックを閾値と比較する。メトリックが閾値に達する と、通信システムは、ステップ２２０において、優先加入者を適切な別のキャリ アにハンドオフする。このように、通信システムは本発明に従って負荷不均衡の 影響を緩和する。 更なる柔軟性を提供するため、ステップ２１６の閾値は固定値でもよく、ある いはシステム構成に応じて可変でもよい。呼トラヒックがかなり一定の通信シス テムでは、一定の閾値を設定し、負荷メトリックをこの閾値以下に低下すること を許さないことが好ましい場合がある。しかし、 呼トラヒックの渋滞の期間があるような別の通信システムでは、サービスの質が 低下しても、より多くの加入者を収容できる可変閾値を採用するほうが有利な場 合もある。いずれにせよ、このような柔軟性が本発明で期待できる。 システム容量において得られる改善についてシミュレーションを行い、その結 果を第３図に示す。特に、第３図は、負荷のバランスをとる各方法を利用して、 多重キャリア・ワイヤレス通信システムの比較をグラフ形式で示す。図示のよう に、ｘ軸は多重キャリア・システムにおいて利用可能なキャリアの数を表し、ｙ 軸は容量の増加を表す。ライン３０２は、負荷バランシングを採用しない場合の 通信システムを表し、ライン３０４，３０６は、静的な負荷バランシングを発呼 時のみに推定した場合の通信システムを表す。最後に、ライン３０８は、第２図 の発明の方法に従ってダイナミックな負荷バランシングを内蔵する通信システム において達成可能な容量改善を表す。 第３図に示すように負荷バランシングの利点は、一例を参照してもっとも理解 される。一例として、４つの異なる通信システムがあり、それぞれは５つのキャ リアからなるが、異なる負荷バランシング方法を採用すると想定する。ライン３ ０２によって表される第１通信システムでは、負荷バランシングは採用しない。 第１システムは、負荷バランシングの結果として得られる改善を図るための基準 となる。ライン３０４によって表される第２通信システムは、 移動係数(mobility factor)２を利用して、負荷バランシングを発呼時に行う場 合のワイヤレス通信システムを示す。本明細書において触れる「移動係数」とは 、「典型的な」加入者が通話中に移動する通信セルの数から１を引いた値である （たとえば、典型的な加入者が通話中に３つのセルを移動すると、移動係数は２ となる）。同様に、ライン３０６は、移動係数１を利用して、発呼時に行われる 静的な負荷バランシングを実施する第３ワイヤレス通信システムを表す。ライン ３０８は、第２図のダイナミックな負荷バランシング方法を実施する第４通信シ ステムを表し、ここで負荷は連続的に監視され、加入者は必要に応じて複数のキ ャリア間でシフトされる。 第３図の例をさらに参照して、シミュレーション結果から、ダイナミック負荷 バランシングにより容量改善が実現されることがわかる。図示のように、移動係 数２を想定した静的負荷バランシングを採用する第２システムでは、基準システ ムに比べて２０％の容量改善が得られる。同様に、移動係数１を想定した静的負 荷バランシングを採用する第３システムでは、基準システムに比べて２５％の容 量改善が得られる。しかし、もっとも顕著な改善は、第２図に示す本発明のダイ ナミックな負荷バランシング方法を採用する第４システムにおいてみられ、ここ では３５％の容量改善が達成される。ここで提示された情報から２つの結論を導 くことができる。まず第１に、負荷バランシングは負 荷バランシングを採用するワイヤレス通信システムの容量特性を改善する。第２ に、第２図のダイナミックな負荷バランシング方法は、従来の方法よりも優れた 容量改善を行う、という結論が得られる。 別の実施例では、多重キャリア・ワイヤレス通信システムは、加入者の異なる 「クラス・カテゴリ」間で負荷のバランスをダイナミックにとるように構成でき る。クラスとは、例えば、順方向電力レベル条件，呼品質パラメータまたはオペ レータによって定められるようなサービス・レベル・パラメータなど、任意の数 のパラメータによって定めることができる。第４図を参照して、クラス・カテゴ リ（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、基地局４０１を中心とした同心円４０２，４０４，４０６ によって区切られるエリアによって定められる。デジタル・セルラ環境のような 一実施例では、目標は低い順方向電力レベルにて許容可能なサービスを提供する ことである。従って、クラス・カテゴリは、好ましくは、特定のクラス・カテゴ リ内のすべての加入者にサービスを提供するために必要な順方向リンク電力の上 限によって定めることができる。例えば、同心円４０２によって区切られるクラ ス・カテゴリはすべての加入者として定義でき、ここで順方向リンク電力は所定 の電力閾値を超えないものとする。この例では、加入者４５０，４５２は、クラ スＡカテゴリに入る。なお、順方向リンク電力は、加入者のクラスを定めるため の一つの方法に過ぎず、またクラ ス・カテゴリは同心円４０２，４０４，４０６５によって示されるが、このよう な表現は説明を簡単にするためのものに過ぎず、クラス境界の実際の定義はクラ ス・カテゴリを定義するための尺度に依存することに留意されたい。 さらに第４図を参照して、クラス・カテゴリＡは加入者４５０，４５２を収容 し、クラス・カテゴリＢは加入者４５４，４５６を収容し、クラス・カテゴリＣ は加入者４５８，４５９を収容する。目的のシステムの該当部分で一つのチャネ ルしかないようなＣＤＭＡワイヤレス通信システムでは、システム・ライズを最 小限に抑えることが有利である。このようなシステムでは、ダイナミック負荷バ ランシング・システムは、システムの該当部分内の複数のキャリア間で、複数の クラス・カテゴリの加入者を均等にバランスをとるように機能する。例えば、４ ００によって示されるワイヤレス通信システムの部分において２つのキャリアが ある場合、ダイナミック負荷バランシング・システムは、各キャリア上で３つの クラス・カテゴリのそれぞれからの加入者を均等に分配すべく機能する。従って 、第１キャリアは加入者４５０，４５４，４５９を収容し、第２キャリアは加入 者４５２，４５６，４５８を担当する。その結果、全体的なシステム・ライズは 低下され、通信システム内の負荷不均衡の悪影響は緩和される。 さらに別の実施例において、第５図は位置予測メトリックと組み合わせて負荷 メトリックに基づき、複数のキャリ ア間で呼トラヒックがダイナミックに再分配される、ワイヤレス通信システム内 で動作する装置５００を示す。特に、第５図は、ワイヤレス通信システム内の複 数のキャリア間で負荷のバランスをとるための装置５００を示し、この装置は、 負荷監視装置５０６，位置予測装置５０８およびシステム・コントローラ５１０ によって構成され、負荷監視装置５０６および位置予測装置５０８の出力は、シ ステム・コントローラ５１０に与えられる。システム・コントローラ５１０は、 負荷メトリックおよび位置予測メトリックを解析し、かつどのキャリアが加入者 を放棄する必要があり、どのキャリアが余分な容量を有するかについての勧告を 含め、複数のキャリアのそれぞれの現在負荷および位置についてワイヤレス通信 システムに指示する。システム・コントローラ５１０の出力に基づいて、ワイヤ レス通信システムは、第１キャリアから第２キャリアにハンドオフするための適 切な候補加入者を選択し、それにより負荷不均衡の悪影響を緩和し、システム性 能および容量を改善する。 本発明について、好適な実施例を参照して、本文で具体的に説明し、図示した が、発明の精神および範囲から逸脱せずに、形式および詳細におけるさまざまな 変更が可能なことが当業者に理解される。以下の請求の範囲におけるすべての手 段または段階ならびに機能要素の対応する構造，材料，行為および同等は、具体 的に請求される他の請求要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造， 材料 または行為を含むものとする。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ストライアー，アレクサンドラ・エル アメリカ合衆国イリノイ州バッファロー・ グローブ、ニュートン・ドライブ125

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のキャリアを有する多重キャリア・ワイヤレス通信システムにおいて呼 トラヒックのバランスをダイナミックにとるための方法であって、前記ワイヤレ ス通信システムは加入者に応答する、方法であって： 前記加入者からの要求を受信すると、第１キャリアに関連する第１通信資源に 前記加入者を割り当てる段階； 負荷メトリックを監視する段階；および 前記負荷メトリックに基づいて、前記加入者を前記第１キャリアから第２キャ リアにハンドオフする段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ２．前記多重キャリア・ワイヤレス通信システムは、符号分割多元接続（ＣＤＭ Ａ）スペクトル拡散通信システムであることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記第１キャリアおよび前記第２キャリアは複数の通信資源からなり、各キ ャリア上の通信資源の数は、所定の品質レベルを維持するために必要なビット・ エネルギ／システム雑音ライズ（Ｅｂ／Ｎｏ）によって制限されることを特徴と する請求項１記載の方法。 ４．前記監視される負荷メトリックは、前記ワイヤレス通信システム内の複数の キャリアのそれぞれで観察されるシステム雑音ライズ（Ｎｏ）を表すことを特徴 とする請求項１記載の方法。 ５．前記負荷メトリックは、前記ワイヤレス通信システム内の複数のキャリアの それぞれの間における加入者の分散を表すことを特徴とする請求項１記載の方法 。 ６．前記負荷メトリックは、前記ワイヤレス通信システム内の複数のキャリアの それぞれにおいて未使用の通信資源の割合を表すことを特徴とする請求項１記載 の方法。 ７．複数のキャリアと通信する複数の加入者を有する多重キャリア・ワイヤレス 通信システムにおいて、呼トラヒック（負荷）のバランスをダイナミックにとる ための方法であって： 前記複数の加入者からの一加入者を、前記加入者からの要求を受信後に、前記 複数のキャリアのうちの第１キャリアに割り当てる段階； 前記ワイヤレス通信システムについて負荷メトリックを監視する段階； 前記負荷メトリックに基づいて、前記加入者を前記第１キャリアから第２キャ リアにハンドオフする段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ８．一つまたは複数のキャリアと通信する複数の加入者を有する多重キャリア・ ワイヤレス通信システムにおいて、呼トラヒック（負荷）のバランスをダイナミ ックにとるための方法であって： 反復的に負荷メトリックを監視する段階；および 前記複数の加入者のうちの優先加入者を、前記複数のキ ャリアのうち第１キャリアから第２キャリアにハンドオフする段階であって、前 記ハンドオフする段階は前記負荷メトリックを変更する、段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ９．前記優先加入者は、前記負荷メトリックに対して好適な影響を有すると判断 されることを特徴とする請求項８記載の方法。 １０．多重キャリア・ワイヤレス通信システムの複数のキャリア間で、複数の加 入者のバランスをダイナミックにとるための装置であって： 前記ワイヤレス通信システム内の前記複数のキャリアのうち少なくとも第１キ ャリアおよび第２キャリアについて負荷メトリックを監視する負荷監視装置； 前記複数のキャリアのうち前記第１キャリア上で前記負荷メトリックが閾値に 達したときを識別する判定回路； ハンドオフ候補選択装置であって、前記選択装置は前記第１キャリアから前記 第２キャリアにハンドオフするための優先加入者候補を選択する、ハンドオフ候 補選択装置；および 前記第１キャリアから前記第２キャリアへの前記優先加入者候補のハンドオフ を実行するキャリア置換装置； によって構成されることを特徴とする装置。