JPWO2009110103A1 - ネットワークシステム及び監視ノード - Google Patents

Abstract

従来は複数の無線システムが利用できる無線環境において、ある端末が新たに無線システムを利用する場合、ユーザ端末主導にて当該無線システムに接続することにより、当該無線システムの提供可能なスループットの最大値を越え、システム全体のスループットが低下する問題があった。端末が新たに無線システムに接続する、もしくは他の無線システムに切替える前に、当該端末がある無線システムへの接続した場合のシステム全体のスループットや、遅延時間の予測値を計算し、予測結果に応じて当該端末が利用する無線システムを制御する。

Description

特に複数の無線通信システム間の高速な切替技術、及び周波数の時間利用効率向上のためのコグニティブ無線技術に関する。

現在、第３世代携帯電話や無線ＬＡＮなどのシステムはそれぞれの事業者等により個別に運用・管理されておりこれら複数のシステムを利用するためにはそれぞれの事業者と契約・加入する必要がある。またこの場合それぞれシステムは個々の事業者毎に独立なシステムであるため、ネットワーク接続に欠かせない端末のＩＰアドレスはそれぞれのシステム毎に独立して付与され、複数のシステムを同時に使用する場合には複数のＩＰアドレスを用いて行うことが一般的であった。
しかしながら、移動通信システムにとって使い勝手の良い６ＧＨｚ以下の帯域（ＶＨＦ、ＵＨＦ、低マイクロ波帯）については、現在第３世代携帯電話や無線ＬＡＮなど稠密に利用されており、深刻な電波の逼迫状況が生じている。こうした状況の中、逼迫している電波をより有効かつ効率的に活用しつつ、特にニーズの高い移動通信に必要な周波数帯域を確保するためには、移動通信をはじめとする複数の電波利用システム間における電波の高度な共同利用を実現する技術が求められている。
政策的な位置付けとしても、総務省ＩＴ戦略本部の「ｅ−Ｊａｐａｎ重点計画−２００４」（平成１６年６月）において、「周囲の電波利用状況や利用するアプリケーションの要求条件を的確に判断し、周波数帯域幅、変調方式、多重化方式等を柔軟に選択して、最適な通信環境を確立することのできる無線通信システムについて２０１１年までに実用化を図る」と記されており、上記を実現する技術が求められている。
これらを実現するため、１９９９年に無線の状況を認知しその状況に応じて無線システムのリソース制御を行う「コグニティブ無線」の概念が発表された（例えば、Ｍｉｔｏｒａ，”Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｏｂｉｌｅ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”，１９９９ ＩＥＥＥ Ｉｎｔ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｄｉｇｅｓｔ（Ｎｏｖ．１９９９）、又はＭｉｔｏｒａ，ｅｔｃ．，“Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ：Ｍａｋｉｎｇ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏｓ Ｍｏｒｅ Ｐｅｒｓｏｎａｌ”，１９９９ ＩＥＥＥ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．４（１９９９））。しかしながらコグニティブ無線を実現するための手法については様々なアプローチがあり現在も検討が行われているところである。
従来における、複数の無線システムが接続されているシステムの全体構成を図１に示す。図１に示す例ではセルラシステムとしてｃｄｍａ １ｘＥＶＤＯ（１ｘＥｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｄａｔａ Ｏｎｌｙ）、都市部における屋外の無線ブロードバンドシステムとしてＷｉＭＡＸ、近距離及び室内向けブロードバンドシステムとして無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の３つのシステムが接続されている様子を示している。以降の説明ではこの３つのシステムを例に説明を行うが、これら以外の無線システムでも同等の機能をもっていれば適用可能である。
システムはこれらの複数の無線システムでの通信に対応した端末（１０１）、各無線システムのアクセスポイント（ＥＶＤＯの場合は（１０２）、無線ＬＡＮの場合は（１０３）、ＷｉＭＡＸの場合は（１０４））、各無線システムを終端するゲートウェイ（ＥＶＤＯの場合はＰＤＳＮ（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｎｏｄｅ）（１０５）に相当し、無線ＬＡＮの場合はＰＤＩＦ（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｉｎｔｅｒｗｏｒｋｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（１０６）に相当、ＷｉＭＡＸの場合はＡＳＮ−ＧＷ（Ａｃｃｅｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｇａｔｅｗａｙ）（１０７）に相当）と、各システム毎にユーザ認証のための認証局（ＥＶＤＯの場合はＥＶＤＯ−ＡＡＡ（Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ Ａｕｔｈｏｒｉｚａｔｉｏｎ Ａｃｃｏｕｎｔｉｎｇ）（１０９）、無線ＬＡＮの場合はＷｉＦｉ−ＡＡＡ（１１０）、ＷｉＭＡＸの場合はＷｉＭＡＸ−ＡＡＡ（１１１））とＨＡ（Ｈｏｍｅ Ａｇｅｎｔ： １０８）から構成され、各システムを終端するゲートウェイ、ＨＡ、認証局の間はネットワーク（１１２）で互いに接続されている。
ここで各無線システムのアクセスポイント（１０２、１０３、１０４）は端末との無線区間を終端する機能をもつ。
またＰＤＳＮやＰＤＩＦ、ＡＳＮ−ＧＷなどのゲートウェイはＨＡに対するＦＡ（Ｆｏｒｅｉｇｎ Ａｇｅｎｔ）の機能を有し、また無線システムを終端する機能を有する。図１では一つの無線システムのゲートウェイにつき一つのアクセスポイントが接続されているが、アクセスポイントの数は一つに限定されるものではなく、複数のアクセスポイントが各ゲートウェイに接続されるのが一般的である。
従来はそれぞれのシステムが独立に運用されているため、認証局（１０９、１１０、１１１）は、それぞれ独立して存在し、ユーザ認証もそれぞれの無線システムを使用する毎に独立して行われる。
この時、ＨＡ（１０８）は現在端末がどの無線システムを用いて通信を行っているかの管理を行っている。具体的にはＥＶＤＯにおけるＰＤＳＮ（１０５）、無線ＬＡＮにおけるＰＤＩＦ（１０６）、ＷｉＭＡＸにおけるＡＳＮ−ＧＷ（１０７）がＨＡから見た時にＦＡとして振るまい、ＨＡは現在通信を行っている無線システムのゲートウェイのＩＰアドレスと端末に付与されたＩＰアドレスとの対応関係をテーブルとして保持している。
次に従来における端末に付与されるＩＰアドレスの取得方法と、端末が移動等の理由により使用するシステムを切り替える場合のフロー及び、ゲートウェイと端末ＩＰアドレスの対応関係を図２に示す。
端末（１０１）がまずＥＶＤＯに接続する場合、手順（２０１）に示すように、ＰＡＰ／ＣＨＡＰと呼ばれる端末認証をＥＶＤＯゲートウェイであるＰＤＳＮ（１０５）との間で行い、ＰＤＳＮが認証完了するとこの端末（１０１）からのＡｃｃｅｓｓ ＲｅｑｕｅｓｔをＥＶＤＯ認証局（１０９）に送信する。ＥＶＤＯ認証局においてはこの要求に対する応答として端末に付与するＩＰアドレス（図２の場合、端末ＩＰ＝ａ．ｂ．ｃ．ｄ）とＤＮＳ情報やＨＡのＩＰアドレス（図２の場合、ＨＡのＩＰ＝１．２．３．４）などの情報をＰＤＳＮ（１０５）に送信し、ＰＤＳＮ（１０５）はこの情報を端末（１０１）に転送することにより端末のＩＰアドレスが割り当てられる。この時ＨＡ（１０８）においては、端末のＩＰアドレスとＦＡとしてＰＤＳＮのＩＰアドレス（図２の場合、ＰＤＳＮのＩＰ＝ｘ．ｘ．ｘ．ｘのため、ＦＡの欄にＩＰ＝ｘ．ｘ．ｘ．ｘ）の対応関係（２０２）が保持される。
この端末が移動し（２０５）、例えばＥＶＤＯとは別の無線ＬＡＮシステムに新たに接続する場合、手順（２０３）に示すように、例えばＩＫＥｖ２と呼ばれる端末認証を無線ＬＡＮゲートウェイであるＰＤＩＦ（１０６）との間で行い、ＰＤＩＦが認証完了するとこの端末（１０１）からのＡｃｃｅｓｓ ＲｅｑｕｅｓｔをＷｉＦｉ認証局（１１０）に送信する。ＷｉＦｉ認証局においてはこの要求に対する応答として端末に付与するＩＰアドレス（図２の場合、端末ＩＰ＝ｅ．ｆ．ｇ．ｈ）とＤＮＳ情報やＨＡのＩＰアドレス（図２の場合、ＨＡのＩＰ＝１．２．３．４）などの情報をＰＤＩＦ（１０６）に送信し、ＰＤＩＦ（１０６）はこの情報を端末（１０１）に転送することにより端末のＩＰアドレスが割り当てられる。この時ＨＡ（１０８）においては、端末のＩＰアドレスとＦＡとしてＰＤＩＦのＩＰアドレス（図２の場合、ＰＤＩＦのＩＰ＝ｙ．ｙ．ｙ．ｙのため、ＦＡの欄にＩＰ＝ｙ．ｙ．ｙ．ｙ）の対応関係（２０４）が保持される。
これらの説明で示す通り、従来のシステムにおいては複数の無線システムを切り替える場合はそれぞれのシステムにおけるユーザ認証が行われること、またシステム間の切り替えに伴って端末に付与されるＩＰアドレスが異なる。またユーザ認証が端末からゲートウェイを経由してその都度行われるため秒オーダーの時間を要する。
端末が移動し、同一システム内で接続されるゲートウェイが複数となるハンドオーバの場合はシステムの切り替えは生じないため端末に対して同一のＩＰアドレスが付与されることになる。この様子を図３に示す。
端末（１０１）がまず無線ＬＡＮに接続する場合、図２での説明と同様（２０３）ＩＫＥｖ２でのユーザ認証後、ＷｉＦｉ認証局（１０９）より端末ＩＰアドレスＩＰ＝ｅ．ｆ．ｇ．ｈが割り振られる。この端末が移動し（３０３）、同一無線ＬＡＮシステムの別のＰＤＩＦの配下となる場合、手順（３０１）に示すように、再び接続先のＰＤＩＦ（３０４）と端末（１０１）との間で端末認証を行う。この端末は同一システム内に既に登録されていることをＷｉＦｉ認証局（１０９）が確認し、同一のＩＰアドレスを割り振る。この時、ＨＡでは端末（１０１）に対して、ハンドオーバ状態にある、すなわち両方のゲートウェイからデータ伝送を行う状態にあることから二つのＰＤＩＦ（１０６、３０４）をＦＡとして登録する（３０２）。この時ネットワーク側にある通信相手からのデータはＨＡを参照しＰＤＩＦ（１０６）とＰＤＩＦ（３０４）それぞれにマルチキャストされる。
ハンドオーバ状態が終了し、端末（１０１）が完全に移動先のＰＤＩＦ（３０４）のみと接続する場合には、ＩＰアドレスとＦＡとの対応が、ＩＰ＝ｅ．ｆ．ｇ．ｈに対してＦＡのＩＰ＝ｚ．ｚ．ｚ．ｚのみとなる（３０２）。
以上示したように従来のシステムにおいては、同一のシステム内ではＨＡにおいて一つの端末ＩＰアドレスに対して複数のＦＡアドレスを有することは可能であるがこの場合データはそれぞれのＦＡに対してマルチキャストされる。またユーザ認証はゲートウェイが変わる度に行われるため切り替えには秒オーダーの時間を要する。

従来のシステムでは、複数の無線システムが利用できる無線環境において、ある端末が新たに無線システムを利用する場合、ユーザ端末主導にて当該無線システムに接続することにより、当該無線システムの提供可能なスループットの最大値を越え、当該端末が要求する通信帯域を利用できず、さらにはそれまで当該無線システムを利用していたユーザのスループットにも影響を与え、システム全体のスループットが低下する問題があった。
また、従来のシステムでは、ユーザ端末の移動等に伴う無線環境の変化により当該端末が利用している無線システムの通信品質が低下してもセッションが途切れない限りは同一の無線システムを利用しつづけ、ユーザスループットの低下がネットワーク遅延の増加が発生する問題があった。
時々刻々と変化する無線の状況に応じて複数のシステムを効率よく使用するために、端末が新たに無線システムに接続する、もしくは他の無線システムに切替える前に、当該端末がある無線システムへの接続した場合のシステム全体のスループットや、遅延時間の予測値を計算し、予測結果に応じて当該端末が利用する無線システムを制御する。
また、各端末のスループットや遅延時間を監視し、スループットの減少や遅延時間の増加等の通信品質の劣化が認められた場合に、他の無線システムへの切替えにより通信品質が向上するか否かを予測し、予測結果に応じて当該端末が利用する無線システムを選択する。
本発明では、システムに接続する全ての端末の無線環境を考慮し、各端末に対して適切な無線システムの割当が可能となりシステム全体のスループットの向上が見込める。

図１は従来の複数の無線システムを収容するシステム構成図である。
図２はシステム間を移動する場合の従来のＩＰアドレス割当シーケンスを示す図である。
図３は同一システム内の異なるゲートウェイ間を移動する場合の従来のＩＰアドレス割当シーケンスを示す図である。
図４は本発明における複数の無線システムを収容するシステム構成図である。
図５は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図６は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理フローにおける接続可能無線システム数カウント処理を示すフローチャートである。
図７は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるシステム選択処理の詳細を示すフローチャートである。
図８は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるシステム選択処理の詳細フローにおいて接続可能システム数が０である場合の無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図９は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるシステム選択処理の詳細フローにおいて接続可能システム数が１である場合の無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図１０は本発明によるシステム全体スループットを優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるシステム選択処理の詳細フローにおいて接続可能システム数が２である場合の無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図１１は本発明による伝送遅延時間を優先する場合の無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図１２は本発明の監視ノードにて管理される各端末の現選択無線システムとトラフィックソースレートの対応付けるテーブルを示す図である。
図１３は本発明による伝送遅延時間を優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるシステム選択処理の詳細を示すフローチャートである。
図１４は本発明に監視ノードにて管理されるＷｉＭＡＸレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブル、およびＷｉＦｉレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルを示す図である。
図１５は本発明による伝送遅延時間を優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるＷｉＦｉ Ｄｅｌａｙ値算出処理の詳細処理を示すフローチャートである。
図１６は本発明による伝送遅延時間を優先する場合の無線システム選択処理フローにおけるＷｉＭＡＸ Ｄｅｌａｙ値算出処理の詳細処理を示すフローチャートである。
図１７は本発明によるスループット減少をトリガとした無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図１８は本発明によるスループット減少をトリガとした無線システム選択の詳細を示す処理フローチャートである。
図１９は本発明による伝送遅延時間増加をトリガとした無線システム選択処理を示すフローチャートである。
図２０は本発明による伝送遅延時間増加をトリガとした無線システム選択の詳細を示す処理フローチャートである。

第１実施形態
本発明における第一の実施形態について説明する。本実施形態では、端末が無線システムを切替える際にシステムスループットを最大とするように、端末が接続する無線システムが決定される。
本発明におけるシステムの構成を図４に示す。異なる無線システムのそれぞれの無線の状況を把握するために監視ノード（ＣＭＴ：Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｔｏｏｌ）（４０４）を設け、各システムのアクセスポイントから無線に関する情報を収集する。無線に関する情報としては受信電力値、ＲＳＳＩ値、各ユーザのスループット、伝送速度、伝送遅延時間、パケットロス率やアクセスポイントに収容されている端末数、端末とのａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ数、アクセスポイントにおける処理負荷などが挙げられる。ＥＶＤＯの場合はこれ以外にもＤＲＣの値やＲＲＩの値等、無線区間におけるスケジューリングのために用いられている各種パラメータの値も無線情報に含まれる。
また監視ノードでは、各ユーザが利用しているアプリケーションの情報として、ＩＰヘッダ内のＴＯＳ値や、アプリケーションが利用している通信ポート番号などが挙げられる。
これらの情報は監視ノード内において統計処理され、また端末の位置や移動方向等の空間情報も加味した上で端末毎に割当てる無線システムの決定が行われる。
また各無線システムのゲートウェイ（１０５、１０６、１０７）の上位側とネットワーク（１１２）の間に制御ノード（ＰＳＦ：Ｐａｃｋｅｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（４０５）を設け、監視ノード（４０４）からの指示に従いパケットのスイッチングを行う。さらに複数のシステムに共通の認証局（４０３）を設け、複数システム間にわたって、複数の無線システムに対応した同一端末に対して同一のＩＰアドレスを割り当てる。なお図４では利用する無線システムとして、ＥＶＤＯ、ＷｉＭＡＸ、ＷｉＦｉ（無線ＬＡＮ）の３つの無線システムを示しているが、他の既存の無線システムでよいし、今後開発される次世代の無線システムでもよい。また利用する無線システムの数も３システム以上であってもよい。
監視ノードの無線システム決定処理のフローを図５に示す。無線システム決定処理フローはある端末が新たに他の無線システムに切替えることを実施しようとしたことをトリガとして実行される。無線システム決定処理のトリガは端末の他システムへの切替え以外にも、システムに新たな端末が接続を開始しようとしていることをトリガにしてもよい。また、システムに接続している既存の端末の移動により新たに他の無線システムが利用可能になったことをトリガにしてもよいし、現在端末が利用している無線システムの利用が不可能になったことをトリガにしてもよい。さらにユーザの新規アプリケーションの実行による通信の開始、アプリケーションの終了による通信の終了をトリガとしてもよい。また、定期的に全てのシステム配下の端末に対して実施されるのでもよい。
無線システム決定処理では、まず初めに各無線システムの通信可否を判断するための受信電力のしきい値や、各無線システムで利用可能な最大スループット等の初期化を実行する（５０１）。次に処理実行のトリガとなった端末（対象端末）以外で、システムに接続している端末の数をカウントする（５０２）。それから各無線システムそれぞれに対して、最大スループットから対象端末以外の端末が実際に占有している通信帯域を引くことにより、現在の空き帯域を求める（５０３）。各無線システムに対して、対象端末の受信電力と初期時に設定したしきい値とを比較し、受信電力がしきい値を越える場合はフラグを立てる（５０４）。
次に対象端末の接続可能な無線システム数をカウント（５０５）、対象端末が接続するシステム選択処理（５０５）を行い、対象端末が利用すべき無線システム（決定システム）を決定する。
対象端末が利用すべき無線システムを決定した監視ノードは、制御ノードに対して対象端末との通信を決定システムにて実施するように指示し、制御ノードは監視ノードからの指示により対象端末との通信に利用する無線システムを切替える。
図６は、図５内の対象端末の接続可能な無線システム数をカウントする処理（５０４）を詳細に示したものである。対象端末が接続可能な無線システムのカウント処理は、システム内にて利用される無線システムの数だけ実施する（６０１）。選択した無線システムが、全ての移動エリアをカバーするＥＶＤＯの場合、端末がどの場所にいたとしても接続可能であると判断しスキップする（６０２）。なお、本実施の形態は端末が移動する全てのエリアをカバーする無線システムとしてＥＶＤＯを挙げているが、他の無線システムであって全ての移動エリアをカバーする無線システムが存在する場合には、それらの無線システムに対しても処理をスキップしてもよい。
次に、選択した無線システムの受信電力がしきい値を越えているか否かのフラグが立っているか否かをチェックする（６０３）。選択した無線システムの受信電力がしきい値を越えているか否かのフラグが立っていない場合は当該無線システムでの接続は不可能であるため、次の無線システム判定にうつる。フラグが立っている場合は、対象端末が必要とする帯域と（５０３）にて求めた当該システムの空き帯域とを比較する（６０４）。空き帯域が要求帯域以上である場合は、当該無線システムの接続可能フラグをＯＮにし（６０５）、接続可能システム数をカウントアップする。以上の動作をシステム内の全ての無線システムに対して実施する。
次に対象端末が接続可能な無線システムのカウント処理にて得られた接続可能な無線システムの個数により、それぞれ対象端末が接続すべき無線システムの選択処理を実行する（図７、７０１）。
図８に接続可能無線システム数が０の場合（７０２）の、無線システム選択処理のフローを示す。この場合、受信電力が受信しきい値を満たす無線システムを優先してシステムを決定する。まず、ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えているかをチェックする（８０１）。しきい値を越えていない場合は、ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えているかチェックし（８０２）し、ＷｉＦｉの受信電力もしきい値を越えていない場合は、接続可能な無線システムとしてはＥＶＤＯしか存在しないため、接続システムをＥＶＤＯに決定する（８０３）。ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えている場合は、接続システムをＷｉＦｉに決定する（８０４）。
ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えている場合、ＷｉＦｉの受信電力をチェックし（８０５）、しきい値を越えていない場合、接続システムをＷｉＭＡＸに決定する。しきい値を越えている場合、次にユーザが要求する通信がＱｏＳ必要であるかを確認する（８０７）。本実施の形態ではＱｏＳが必要か否かの判断基準としてＩＰパケット内のＴＯＳフィールドの値を用い、ＴＯＳ値が０であればＱｏＳが必要ないと判断する。ＱｏＳの必要か否かの判断には、当該通信にて利用するポート番号と、予め作成しておいたポート番号とＱｏＳの必要か否かの対応表を参照することにより実施してもよい。
ＷｉＭＡＸとＷｉＦｉとの空き帯域を比較し（８０８）、ＷｉＭＡＸの空き帯域のほうが大きい場合は、接続システムをＷｉＭＡＸに決定する。そうでない場合は、ＷｉＦｉに決定する。ＱｏＳが必要な場合は、ＷｉＭＡＸを選択する。
本実施の形態ではＱｏＳを保証可能なＷｉＭＡＸと、ＱｏＳを保証できないＷｉＦｉとの間での無線システム選択であるが、ＱｏＳを保証可能な無線システムが複数あった場合には、その中から空き帯域の大きい無線システムを選択する。またＱｏＳを保証可能な無線システム内にてそれそれの保証品質等により順位をつけ、さらにアプリケーションに要求される通信品質等にて順位づけし、その順位の対応付けにより接続無線システムを決定してもよい。ＱｏＳを保証できない無線システムが複数あった場合も同様である。
図９に接続可能無線システム数が１の場合（７０３）の、無線システム選択処理のフローを示す。この場合、まず接続可能な無線システムがＷｉＭＡＸかＷｉＦｉのどちらであるかを判定する（９０１）。接続可能な無線システムがＷｉＭＡＸの場合は、ＱｏＳが保証され空き帯域も十分にあると判断できるので、ＷｉＭＡＸに決定する。
接続可能無線システムがＷｉＦｉの場合は、次にＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えているか否かをチェックする（９０２）。ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えていない場合は、接続する無線システムとして、ＷｉＦｉを選択する。ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えている場合以降の動作は、図８にて説明した処理と同様であり、図８と同一の番号を付与し説明を省略する。
図１０は、接続可能無線システム数が２の場合（７０４）の、無線システム選択処理のフローであり、処理のフロー自体は、図８で示した処理フローの一部と同様の処理であり、図８と同一の番号を付与し説明を省略する。
以上、第１の実施形態により、端末が利用する無線システムを切替える際に、無線システムを切替えた場合に推定されるスループットを事前に算出し、算出結果を元にシステムスループットが最大となるように端末が接続すべき無線システムを決定することが可能となる。
第２実施形態
本発明における第２の実施形態について説明する。本実施形態では端末がシステムを切替える際に、遅延時間が最小となるように、端末が接続すべき無線システムが決定される。
本実施形態においては第１と同じく、図４に示すシステム構成をとる。ある端末ＡＴ０が接続システムをＷｉＭＡＸから、別のシステムに切替えようとする場合の無線システム決定処理に関して説明する。
監視ノードの無線システム決定処理のフローを図１１に示す。図１１にて示した処理の一部は図５の処理と同様であり、同一の番号を付与している。無線システム決定処理フローは、端末ＡＴ０が現在接続しているＷｉＭＡＸから他の無線システムに切替えることを実施しようとしたことをトリガとして実行される。無線システム決定処理のトリガは端末の他システムへの切替え以外にも、システムに新たな端末が接続を開始しようとしていることをトリガにしてもよい。また、システムに接続している既存の端末の移動により新たに他の無線システムが利用可能になったことをトリガにしてもよいし、現在端末が利用している無線システムの利用が不可能になったことをトリガにしてもよい。さらにユーザの新規アプリケーションの実行による通信の開始、アプリケーションの終了による通信の終了をトリガとしてもよい。また、定期的に全てのシステム配下の端末に対して実施されるのでもよい。
無線システム決定処理では、まず初めに各無線システムの通信可否を判断するための受信電力のしきい値や、各無線システムで利用可能な最大スループット等の初期化を実行する（５０１）。次に各無線システムに対して、対象端末の受信電力と初期時に設定したしきい値とを比較し、受信電力がしきい値を越える場合はフラグを立てる（５０４）。処理実行のトリガとなった端末（対象端末）以外で、システムに接続している端末の数をカウントする（５０２）。
次に無線システム毎の自端末（ＡＴ０）を除くトラフィックソースレートの合計を算出する。例えば監視ノードが、図１２に示すような各端末の現在接続している無線システム（１２０３）と、その端末のトラフィックソースのレート（１２０４）とを対応付けたテーブル（１２０１）を保持している場合、ＷｉＭＡＸのトラフィックソースレートは、ＷｉＭＡＸに接続しているＡＴ１とＡＴ３のトラフィックソースレートの合計である４．２Ｍｂｐｓ、ＷｉＦｉのトラフィックソースレートは、ＷｉＦｉに接続しているＡＴ２のトラフィックソースレートである２８．８Ｍｂｐｓとなる。
そして、対象端末が接続すべきシステムの選択処理（１１０２）を行い、対象端末が利用すべき無線システム（決定システム）を決定する。対象端末が利用すべき無線システムを決定した監視ノードは、制御ノードに対して対象端末との通信を決定システムにて実施するように指示し、制御ノードは監視ノードからの指示により対象端末との通信に利用する無線システムを切替える。
図１３にシステム選択処理（１１０２）の詳細フローを示す。システム選択処理では、まず、ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えているかをチェックする（１３０１）。しきい値を越えていない場合は、ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えているかチェックし（１３０２）し、ＷｉＦｉの受信電力もしきい値を越えていない場合は、接続可能な無線システムとしてはＥＶＤＯしか存在しないため、接続システムをＥＶＤＯに決定する（８０３）。ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えている場合は、接続システムをＷｉＦｉに決定する（８０４）。
ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えている場合、ＷｉＦｉの受信電力をチェックし（１３０３）、しきい値を越えていない場合、接続システムをＷｉＭＡＸに決定する（８０６）。しきい値を越えている場合、対象端末がＷｉＦｉに接続した場合、ＷｉＭＡＸに接続し続けた場合のそれぞれの伝送遅延時間を計算する（１３０４、１３０５）。そして、（１３０４）、（１３０５）で求めた伝送遅延予測値を比較し（１３０６）、遅延時間が小さいほうの無線システムを選択し、対象端末が接続すべき無線システムとして決定する。
図１４は、伝送遅延時間を予測する場合に使用するスループット（１４０５）と遅延時間（１４０６）との対応を格納したテーブルである。ここでは、常時接続可能であるＥＶＤＯを除いたＷｉＭＡＸとＷｉＦｉのスループットに対応する遅延時間テーブルを示している（１４０１、１４０４）。本テーブル内の情報は、事前に測定した値、もしくはシミュレーション等を利用して得られた計算値を用いる。
図１５にＷｉＦｉの遅延時間算出の処理（１３０７）の詳細フローを示す。まず、図１１（１１０１）にて求めた各無線システム毎のトラフィックソースレートに対象端末（ＡＴ０）自身のトラフィックレートを足し、ＷｉＦｉの最大スループットと比較する（１５０１）。端末の総トラフィックレートがＷｉＦｉの最大スループットより小さい場合は、ＷｉＦｉレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから、ＡＴ０のトラフィックソースレートをキーとして、Ｄｅｌａｙ値を求める（１５０２）。
端末の総トラフィックレートがＷｉＦｉの最大スループットより大きい場合は、ＷｉＦｉレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから、ＡＴ０のトラフィックソースレートをキーとしてＤｅｌａｙ値を求めた後（１５０２）、求めたＤｅｌａｙ値とＷｉＦｉに接続する端末数（対象端末が接続してるものとしてカウント）を掛け合せた値をＷｉＦｉ Ｄｅｌａｙ値とする（１５０３）。
本実施形態では、ＷｉＦｉのトラフィックソースレートである２８．８ＭｂｐｓにＡＴ０のトラフィックソースレートが４．８Ｍｂｐｓであるので、ＷｉＦｉの総トラフィックソースレートは３３．６Ｍｂｐｓとなる。ＷｉＦｉの最大スループットを２８．８Ｍｂｐｓとした場合は、最大スループットを超えているので、ＡＴ０のトラフィックソースレートである４．８ＭｂｐｓをキーとしてＷｉＦｉレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから取得したＤｅｌａｙ値（６．７２８Ｅ−０３）に接続端末数２（既存でＷｉＦｉに接続しているＡＴ２＋ＡＴ０）を掛け合せた値がＷｉＦｉ Ｄｅｌａｙ値として返される。
図１６にＷｉＭＡＸの遅延時間算出の処理（１３０８）の詳細フローを示す。まず、図１１（１１０１）にて求めた各無線システム毎のトラフィックソースレートに対象端末（ＡＴ０）自身のトラフィックレートを足し、ＷｉＭＡＸの最大スループットと比較する（１６０１）。端末の総トラフィックレートがＷｉＭＡＸの最大スループットより小さい場合は、ＷｉＭＡＸレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから、ＡＴ０のトラフィックソースレートをキーとして、Ｄｅｌａｙ値を求める（１６０２）。
端末の総トラフィックレートがＷｉＭＡＸの最大スループットより大きい場合は、ＷｉＭＡＸレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから、ＡＴ０のトラフィックソースレートをキーとしてＤｅｌａｙ値を求めた後（１６０２）、求めたＤｅｌａｙ値とＷｉＭＡＸに接続する端末数（対象端末が接続してるものとしてカウント）を掛け合せた値をＷｉＭＡＸ Ｄｅｌａｙ値とする（１６０３）。
本実施形態では、ＷｉＭＡＸのトラフィックソースレートである４．２ＭｂｐｓにＡＴ０のトラフィックソースレートが４．８Ｍｂｐｓであるので、ＷｉＭＡＸの総トラフィックソースレートは９．０Ｍｂｐｓとなる。ＷｉＭＡＸの最大スループットを６．４Ｍｂｐｓとした場合は、最大スループットを超えているので、ＡＴ０のトラフィックソースレートである４．８ＭｂｐｓをキーとしてＷｉＭＡＸレート対応Ｄｅｌａｙ値テーブルから取得したＤｅｌａｙ値（３．８８９Ｅ−０２）に接続端末数３（既存でＷｉＭＡＸに接続しているＡＴ１、ＡＴ３＋ＡＴ０）を掛け合せた値がＷｉＭＡＸ Ｄｅｌａｙ値として返される（１６０４）。
端末ＡＴ０がＷｉＦｉに接続した場合のＤｅｌａｙ値（６．７２８Ｅ−０３）×２と、ＷｉＭＡＸ に接続した場合に計算されたＤｅｌａｙ値（３．８８９Ｅ−０２）×３を比較した場合、ＷｉＦｉに接続した場合の予測Ｄｅｌａｙ値の方が小さいので、端末ＡＴ０が接続すべき無線システムとしては、ＷｉＦｉが選択される。現時点でのＡＴ０が接続していた無線システムはＷｉＭＡＸであったので、ＷｉＭＡＸからＷｉＦｉへの無線システムの切替えが発生する。
以上、第２の実施形態により、端末が利用する無線システムを切替える際に、無線システムを切替えた場合に推定される遅延時間を事前に算出し、遅延時間が最小となるように端末が接続すべき無線システムを決定することが可能となる。
第１の実施の形態、第２の実施の形態にて示した監視ノードでは、システム全体のスループットの最大化、システム全体の伝送遅延時間の最小化を目標値として、端末が接続すべき無線システムを選択しているが、その他にも、システム全体のユーザＱｏＳの満足度（保証度）の最大化、およびシステム全体の伝送時間ゆらぎの最小化を目標値として監視ノードが、端末が接続すべき無線システムを選択してもよい。
第３実施形態
本発明における第３の実施形態について説明する。本実施形態では監視ノードが各端末のスループットを定期的に監視しスループットの減少が見られた際に、無線システムを切替えるか否かを判断することで、システム全体の帯域の効率的な利用を可能とする。
本実施形態においては第１の実施形態と同じく、図４に示すシステム構成をとる。監視ノードはシステムに接続している全ての端末に対して現在のスループットを定期的に測定し、各端末に対して無線システムの切替えが必要か否かの判断を実施する。
監視ノードの無線システム切替え決定処理のフローを図１７に示す。図１７にて示した処理の一部は図５の処理と同様であり、同一の番号を付与している。監視ノードは、まず各無線システムの受信しきい値、最大スループットの初期化等を実施する（１７０１）。次に無線システム切替え決定処理の対象となった端末にして、各無線システムの受信電力が受信しきい値を越えているか否かをチェックし、しきい値を越えていた場合は、フラグを立てる（５０４）。
次に、スループットを用いたシステム選択処理を実施し（１７０２）、対象端末が接続すべき無線システムを決定する。その後次に判定に利用するために、（１７０２）で求めた当該対象端末の現在のスループットを保存する（１７０３）。
対象端末が利用すべき無線システムを決定した監視ノードは、制御ノードに対して対象端末との通信を決定システムにて実施するように指示し、制御ノードは監視ノードからの指示により対象端末との通信に利用する無線システムを切替える。決定システムがそれまで対象端末が接続していた無線システムであった場合には、監視ノードは制御ノードに対しての無線システム切替え指示は実施しない。
図１８にの、本実施形態における無線システム選択処理（１７０２）のフローの詳細を示す。まず、ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えているかをチェックする（１８０１）。しきい値を越えていない場合は、ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えているかチェックし（１８０２）し、ＷｉＦｉの受信電力もしきい値を越えていない場合は、接続可能な無線システムとしてはＥＶＤＯしか存在しないため、接続システムをＥＶＤＯに決定する（８０３）。ＷｉＦｉの受信電力がしきい値を越えている場合は、接続システムをＷｉＦｉに決定する（８０４）。
ＷｉＭＡＸの受信電力がしきい値を越えている場合、ＷｉＦｉの受信電力をチェックし（８０５）、しきい値を越えていない場合、接続システムをＷｉＭＡＸに決定する。しきい値を越えている場合、次に対象端末の現在のスループット（現スループット）を取得し、以前に保存した対象端末のスループット（旧スループット）と比較する（１８０４）。現スループットが旧スループットと比較して減少がない場合は、対象端末が現在接続している無線システムがＥＶＤＯであるか否かをチェックする（１８０５）。対象端末が現在接続している無線システムがＥＶＤＯでない場合は、現システムをキープして無線システム切替を行わない（１８０６）。現システムがＥＶＤＯである場合は、対象端末が接続する無線システムをＷｉＦｉに決定する。
現スループットが旧スループットと比較して減少がある場合は、システム切替えを行う。なお、スループットのわずかな変動による頻繁な無線システム切替えの発生を防ぐために、特定の範囲内に収まるスループットの減少は、スループットが減少したと判断しない。ここで、特定の範囲内としては３％以内のスループットの変動といったものを示す。
次に対象端末が接続している現システムを確認し（１８０７）、現システムがＷｉＭＡＸであった場合には、ＷｉＦｉと決定し、現システムがＷｉＦｉであった場合には、ＷｉＭＡＸと決定し、ＥＶＤＯであった場合には、ＷｉＦｉと決定する。ここで、本実施形態ではできるだけ通信速度の速い無線システムに切替えるように、切替えるべき無線システムの選択を実施しているが、通信速度ではなく、ユーザ利用のアプリケーションが要求する通信品質を指標として無線システムを切替えるのでもよい。
以上、第３の実施形態により、監視ノードが各端末のスループットを定期的に監視しスループットの減少が見られた際に、無線システムを切替えるか否かを判断することで、システム全体の帯域の効率的な利用を可能とする。
第４実施形態
本発明における第４の実施形態について説明する。本実施形態では監視ノードが各端末の伝送遅延時間を定期的に監視し伝送遅延時間の増加が見られた際に、無線システムを切替えるか否かを判断することで、システム全体での伝送遅延時間の最小化を可能とする。
本実施形態においては第１の実施形態と同じく、図４に示すシステム構成をとる。監視ノードはシステムに接続している全ての端末に対して定期的に伝送遅延時間を確認し、各端末に対して無線システムの切替えが必要か否かの判断を実施する。
監視ノードの無線システム切替え決定処理のフローを図１９に示す。図１９にて示した処理の一部は図５、図１７の処理と同様であり、同一の番号を付与している。監視ノードは、まず各無線システムの受信しきい値、最大スループットの初期化等を実施する（１７０１）。次に無線システム切替え決定処理の対象となった端末にして、各無線システムの受信電力が受信しきい値を越えているか否かをチェックし、しきい値を越えていた場合は、フラグを立てる（５０４）。
次に、スループットを用いたシステム選択処理を実施し（１９０１）、対象端末が接続すべき無線システムを決定する。その後次に判定に利用するために、（１９０１）で求めた当該対象端末の現在の伝送遅延時間を保存する（１９０２）。
対象端末が利用すべき無線システムを決定した監視ノードは、制御ノードに対して対象端末との通信を決定システムにて実施するように指示し、制御ノードは監視ノードからの指示により対象端末との通信に利用する無線システムを切替える。決定システムがそれまで対象端末が接続していた無線システムであった場合には、監視ノードは制御ノードに対しての無線システム切替え指示は実施しない。
図２０に、本実施形態における無線システム選択処理（１９０１）のフローの詳細を示す。図２０に示した処理の一部は、図８、図１８にて示した処理と同様であり、同一の番号を付与している。図２０にて図８、図１８と比較して異なる点は、（２００１）の旧Ｄｅｌａｙ値と、現Ｄｅｌａｙ値を比較して、Ｄｅｌａｙ値の増加の有無により対象端末が接続すべき無線システムを決定している点である。なお、Ｄｅｌａｙ値のわずかな変動による頻繁な無線システム切替えの発生を防ぐために、特定の範囲内に収まるＤｅｌａｙ値の増加は、Ｄｅｌａｙ値が増加したと判断しない。ここで、特定の範囲内としては２％以内のＤｅｌａｙ値の変動といったものを示す。
以上、第４の実施形態により、監視ノードが各端末の伝送遅延時間を定期的に監視し伝送遅延時間の増加が見られた際に、無線システムを切替えるか否かを判断することで、システム全体の伝送遅延時間の最小化を可能とする。
なお、第３の実施の形態、第４の実施の形態において、無線システムを切替えるか否かの判断の指標として、スループット及び遅延時間を用いたが、他にパケットのロス率（パケットロス率が高くなったら、無線システムを切替えるか否かの判断を実施する）、各無線システムに接続している端末数、およびａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ数（各無線システムに接続している端末数やａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ数が増加したら無線システムを切替えるか否かの判断を実施する）等の指標を用いることが挙げられる。
また、本発明にて示した実施形態では、システム切替えの判断する場合の指標を１とした場合の無線システム選択方式に関して説明したが、２つ以上の指標を組合わせて端末が接続すべき無線システムを決定してもよい。例えば、スループットと遅延時間を組合わせてシステム全体のスループットをできるだけ向上させ、伝送遅延の小さい無線システムを選択するといったことが挙げられる。ここで組合わせる指標としては、スループット、伝送遅延、パケットロス率、各無線システムに接続している端末数、およびａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ数、ユーザが利用するアプリケーションの要求品質等が挙げられる。

携帯電話や無線ＬＡＮなどの複数の無線通信システムを同時に用いたシステムとして運用され、周波数の時間利用効率向上や各無線システムの負荷分散を図ったシステムに適用することができる。

Claims (8)

1. 各無線システムのアクセスポイントと各無線システムを終端するゲートウェイ、認証局、ホームエージェント、監視ノード、制御ノード及びこれら複数システムに対応した端末装置から構成される複数の無線システムを収容するネットワークシステムであって、
   監視ノードは各無線システムのアクセスポイントと接続され各端末装置の情報を取得し、制御ノードは監視ノードからの指示により各端末が接続する無線システムを切替えるシステムであって、
   監視ノードが取得した各端末装置の情報から各端末が接続すべき無線システムを選択することを特徴とするネットワークシステム。
2. 請求項１記載の複数の無線システムを収容するネットワークシステムであって、
   端末装置が新しい無線システムに切替えようとするタイミングで、監視ノードが当該端末装置が新しい無線システムに接続した場合のスループットを推定し、推定結果を元にシステム全体のスループットが最大となるように当該端末装置が接続する無線システムを選択することを特徴とするネットワークシステム。
3. 請求項１記載の複数の無線システムを収容するネットワークシステムであって、
   端末装置が新しい無線システムに切替えようとするタイミングで、監視ノードが当該端末装置が新しい無線システムに接続した場合の伝送遅延時間を推定し、推定結果を元にシステム全体の伝送遅延時間が最小となるように当該端末装置が接続する無線システムを選択することを特徴とするネットワークシステム。
4. 各無線システムのアクセスポイントと各無線システムを終端するゲートウェイ、認証局、ホームエージェント制御ノード及びこれら複数システムに対応した端末装置に接続される監視ノードであって、
   各無線システムのアクセスポイントと接続され各端末装置の情報を取得し、取得した各端末装置の情報から各端末が接続すべき無線システムを選択することを特徴とする監視ノード。
5. 請求項４記載の監視ノードであって、
   端末装置が新しい無線システムに切替えようとするタイミングで、当該端末装置が新しい無線システムに接続した場合のスループットを推定し、推定結果を元にシステム全体のスループットが最大となるように当該端末装置が接続する無線システムを選択することを特徴とする監視ノード。
6. 請求項４記載の監視ノードであって、
   端末装置が新しい無線システムに切替えようとするタイミングで、当該端末装置が新しい無線システムに接続した場合の伝送遅延時間を推定し、推定結果を元にシステム全体の伝送遅延時間が最小となるように当該端末装置が接続する無線システムを選択することを特徴とする監視ノード。
7. 請求項１記載の複数の無線システムを収容するネットワークシステムであって、
   監視ノードが定期的に端末装置のスループットを取得し、当該端末装置の以前に取得したスループットより減少していた場合に、監視ノードが当該端末装置が接続すべき新しい無線システムを選択することを特徴とするネットワークシステム。
8. 請求項１記載の複数の無線システムを収容するネットワークシステムであって、
   監視ノードが定期的に端末装置の伝送遅延時間を取得し、当該端末装置の以前に取得した伝送遅延時間より増加していた場合に、監視ノードが当該端末装置が接続すべき新しい無線システムを選択することを特徴とするネットワークシステム。

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