JPWO2010070699A1 - データ送信方法 - Google Patents

Abstract

無線通信システムを構成する複数の無線基地局それぞれが、データ送信間隔を調整するシェーピング量に応じてデータを出力するシェーピング制御を行い、上位装置に送信する。無線基地局は、無線通信を実行中の移動端末の数と、該移動端末との無線通信でそれぞれ実行中の通信サービスのＱｏＳ（Quality of Service）レベルとに基づいてシェーピング量を調整するシェーピング制御を行う。また、上位装置が、無線基地局から受信したデータを監視してデータ抜けを検出し、該データ抜けの検出結果に応じて、シェーピング制御に関する制御信号を無線基地局へ送信し、無線基地局は、受信した該制御信号に基づいてシェーピング制御を行う。

Description

本発明は、無線通信システムにおけるデータ送信方法に関する。

W-CDMA(Wideband-Code
Division Multiple Access)システムやLTE(Long Term Evolution)システムなどの無線通信システムにおいて、該システムを構成する複数の無線基地局は、自エリア内の移動端末からのデータ信号を上位装置に転送する。上位装置は、具体的には、無線基地局を制御する基地局制御装置（W-CDMAシステムにおいては、RNC(Radio Network
Controller)であり、LTEシステムでは、aGW(access
Gateway)）であり、その間にルータが介在する場合は、ルータも無線基地局の上位装置に含まれる。

各無線基地局は、上位装置にデータ信号を転送する際、上位装置との各有線回線帯域で送信可能なレートでバースト的にデータ信号を送信する。そのため、各無線基地局からのデータ信号の送信レートの合計が一時的に上位装置の転送レートを超えると、上位装置において、データ信号の一部は廃棄され、データロスが発生する。

データロスは伝送品質の劣化を招くため、それを防止するために、データロスが発生した場合は、上位のプロトコルレイヤ（TCP、RLCレイヤ）で再送制御が行われ、伝送品質サービス（QoS:Quality
of Service）が保証する伝送品質が維持される。

特許文献１は、ユーザデータをセルに組み立てて伝送路へ送出する際に、伝送路インタフェースにおける送出待ち合わせ用のセルバッファでの遅延を監視して、許容遅延を超えた場合には当該セルを廃棄するデータ伝送装置において、特に遅い伝送路速度でバースト性の強いデータを伝送する場合に、伝送路インタフェースへのセル送信間隔を広げてバースト性を弱めて、バッファ内許容遅延超過によるセル廃棄を防ぐデータ伝送装置について開示している。
特開２００２−２３２４７１号公報

しかしながら、上位プロトコルによる再送制御は、無線基地局とその上位装置間での制御信号の交換を必要とし、一度送信されたデータ信号を再度送信するものであるから、再送制御が頻繁に生じると、送信速度が低下し、また、送達確認されるまでデータをバッファリングする必要があるなど、通信負荷が増大する。

そこで、本発明の目的は、移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムにおいて、データロスの発生を防止するデータ送信方法を提供することにある。

上記目的を達成するためのデータ送信方法は、移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムにおけるデータ送信方法であって、無線基地局がそれぞれ、データ送信間隔を調整するシェーピング量に応じてデータを出力するシェーピング制御を行い、上位装置に送信するものである。

好ましくは、無線基地局は、無線通信を実行中の移動端末の数と、該移動端末との無線通信でそれぞれ実行中の通信サービスのＱｏＳ（Quality of Service）レベルとに基づいてシェーピング量を調整するシェーピング制御を行う。

また、好ましくは、上位装置が、無線基地局から受信したデータを監視してデータ抜けを検出し、該データ抜けの検出結果に応じて、シェーピング制御に関する制御信号を無線基地局へ送信し、無線基地局は、受信した該制御信号に基づいてシェーピング制御を行う。

本データ送信方法によれば、無線基地局から上位装置に送信されるデータ信号におけるデータロスの発生を防止することができる。

本実施の形態における無線通信システムの構成例を示す図である。 第１のシェーピング制御を実施する無線基地局の要部構成図を示す。 シェーピング制御部２１４のシェーピング量計算処理のフローチャートである。 第２のシェーピング制御を説明する図である。 第２のシェーピング制御の処理フローチャートである。 制御信号のフォーマット例を示す図である。 無線通信システムの別の構成例を示す図である。

符号の説明

１０：移動端末、２０：無線基地局、２１：送信制御部、２１１：バッファ、２１２：バッファ、２１３：バッファ、２１４：シェーピング制御部、２１５：送信部、３０：ルータ、４０：基地局制御装置、４１：受信制御部、５０：パケット交換機

以下、図面を参照して本実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本実施の形態における無線通信システムの構成例を示す図である。図１の構成例は、W-CDMA(Wideband-Code Division Multiple Access)の無線通信システムの構成例を示し、無線通信システムは、移動端末（MS）１０、無線基地局（NodeB）２０、ルータ３０、基地局制御装置（RNC:Radio Network Controller）４０、さらにパケット交換機（XGSN）５０で構成される。ルータ３０、基地局制御装置（RNC）４０、パケット交換機（XGSN）５０が無線基地局２０の上位装置に相当する。

基地局制御装置（RNC）４０は、ルータ３０を介して複数の無線基地局２０と有線接続し、各無線基地局２０は、移動端末１０から無線送信されるアップリンク信号を基地局制御装置（RNC）４０に送信する。

近年、無線基地局２０について、比較的広いエリアをカバーする無線基地局（大容量NodeB）に加えて、大容量NodeBではカバーしにくい、ビル内部や地下などのエリアをカバーするために比較的狭いエリアをカバーする超小型無線基地局（超小型NodeB）を多数設置する構成が実現されつつある。超小型NodeB（フェムトBTSとも呼ばれる）が多数設置されると、一つの基地局制御装置（RNC）配下の無線基地局の数が増加し、超小型NodeB一つからのデータ送信量は大きくはないが、各無線基地局からバースト的にデータ信号が送信されるため、多数の無線基地局から一斉にデータ信号が送信されると、一時的に上位装置（ルータ又は基地局制御装置）の最大転送レートより大きいデータ量が上位装置に流れ込む確率が高くなり、それにより、データロスの発生頻度が増加する懸念がある。

本実施の形態例では、データロスの発生を防止するために、各無線基地局２０において、データ信号の送信間隔時間であるシェーピング量を調整するシェーピング制御が行われる。例えば、シェーピング量を大きくすることでデータ送信量が平滑化され、バースト的なデータ送信を防止し、転送レートのピーク値を下げることで、データロスの発生を防止する。

＜第１のシェーピング制御＞
第１のシェーピング制御では、各無線基地局２０は、該無線基地局２０と無線通信を実行中の移動端末１０の数と、該移動端末１０との無線通信でそれぞれ実行中の通信サービスのQoS（Quality of Service）レベルとに基づいて、シェーピング量を調整する。

図２は、第１のシェーピング制御を実施する無線基地局２０の要部構成図を示す。図２では、一例として、QoSが３レベル(high, Middle, Low)設定される場合が示され、Highレベルは、音声通信などリアルタイムサービスを提供するレベルであり、Middleレベルは、専用チャネル（DCH:Dedicated Channel）用のサービスを提供するレベルであり、Highレベルよりリアルタイム性の優先度は低い。Lowレベルは、例えばHSUPA(High
Speed Uplink Packet Access)パケットによるベストエフォートサービスを提供するレベルであり、リアルタイム性の優先度はHighレベル及びMiddleレベルより低い。QoSのレベル分けはこれに限られない。

無線基地局２０の送信制御部２１は、各QoS毎の送信バッファ２１１、２１２、２１３、シェーピング制御部２１４及び送信部２１５を備える。バッファ２１１は、QoSがHighレベルであるデータ信号を蓄積するメモリであり、バッファ２１２は、QoSがMiddleレベルであるデータ信号を蓄積するメモリであり、バッファ２１３は、QoSがLowレベルであるデータ信号を蓄積するメモリである。

シェーピング制御部２１４は、QoSに応じて各バッファからデータを読み出し、シェーピング量を調整し、シェーピング量により調整された送信間隔に従って読み出したデータを送信部２１５に送る。送信部２１５は、受信したデータ信号を上位装置に送信する。

図３は、シェーピング制御部２１４のシェーピング量計算処理のフローチャートである。シェーピング量は、次のパラメータを用いて計算される。

（ａ）各QoSの呼数
・High：リアルタイムサービス呼数
・Middle：DCHパケット呼数
・Low：HSUPA呼数
（ｂ）各QOSの平均レート
・High： リアルタイムサービス呼平均レート
・Middle：DCHパケット呼平均レート
・Low：HSUPAパケット呼平均レート
（ｃ）有線回線帯域
（ｄ）平均パケット長

各QoSの呼数は、各無線基地局２０において、各QoSのサービスによる通信を実行中のユーザの数であり、シェーピング制御部２１４は、アプリケーションレベルの呼設定情報を取得し、呼設定情報に基づいて呼数をカウントする。各QoSの平均レートは、無線通信システムにおいて定義されている。例えば、W-CDMAシステムでは、リアルタイムサービス呼平均レートは12.2kbpsであり、DCHパケット呼平均レートは8kbpsである。また、HSUPAパケット呼平均レートは、一定帯域を呼数でシェアするサービスであるため、呼数に応じて決定される。また、有線回線帯域（上位装置の最大転送レート）も無線通信システムにおいて定義される。さらに、平均パケット長も無線通信システムであらかじめ定義された値が用いられる。

上記パラメータを用いて、シェーピング量制御部２１４は、以下の処理ステップに基づいてシェーピング量を計算する。まず、シェーピング量制御部２１４は各QoSの合計帯域を計算する（S100）。合計帯域は、次式（１）で計算される。

合計帯域=(リアルタイムサービス呼平均レート×リアルタイムサービス呼数)+ (DCHパケットサービス呼平均レート×DCHサービス呼数)+ (HSUPAパケットサービス呼平均レート×HSUPAサービス呼数) …（１）

次にシェーピング量制御部２１４は、計算された合計帯域と有線回線帯域とを比較し、合計帯域が有線回線帯域より小さいか否か（有線回線帯域に空きがあるか否か）を判定する(S102)。

合計帯域が有線回線帯域と等しい場合（有線回線帯域に空きがない場合）、次式（２）に基づいて、シェーピング制御部２１４はシェーピング量を計算する（S104）。

シェーピング量(s)=1÷（有線回線帯域÷平均パケット長） …（２）

合計帯域が有線回線帯域と等しい場合は、パケットの送信間隔を広げる余地はなく、式（２）で求められる最も密な送信間隔でデータ信号（パケット）は送信される。式（２）により求められるシェーピング量は、各QoSに共通のシェーピング量である。

合計帯域が有線回線帯域より小さい場合（有線回線帯域に空きがある場合）、次式（３ａ）〜（３ｃ）に基づいて、QoS毎にシェーピング制御部２１４はシェーピング量を計算する（S106、S108、S110）。

1)QoSレベルHigh
シェーピング量(s)＝1÷((リアルタイムサービス呼平均レート×リアルタイムサービス呼数÷平均パケット長)×係数3) …（３ａ）
2) QoSレベルMiddle
シェーピング量(s)＝1÷((DCHパケット呼平均レート×DCHパケットサービス呼数÷平均パケット長)×係数2) …（３ｂ）
3) QoSレベルLow
シェーピング量(s)＝1÷((HSUPAパケット呼平均レート×HAUPAパケットサービス呼数÷平均パケット長)×係数1) …（３ｃ）

合計帯域が有線回線帯域より小さい場合は、シェーピング量制御部２１４は、QoS毎にシェーピング量を計算し、QoS毎に、データ送信量が平滑化するように送信間隔を広げる。QoS毎にシェーピング量を求めるのは、全QoS共通でシェーピング量を計算すると、送信間隔が広がりすぎ、例えば、リアルタイムサービスを提供するQoSレベル:Highの要求を満たさない可能性があるからである。また、各QoSの呼数を考慮することで、データ量に応じた最適なシェーピング量を求めることが可能となる。

なお、各式の「係数」は各QoSに応じて設定されるパラメータであり、係数を大きくするほど、シェーピング量は小さくなり、送信間隔は短くなるため、高レベルのQoSに対応する係数を大きくすることで、高レベルのQoSの送信優先度を高めることが可能となる。係数の数値は任意に設定可能であり、また、各QoSの係数は同一の値（全QoSの係数が１の場合を含む）でもよい。

具体的な数値を用いた計算例を示す。各パラメータを、
（ａ）各QoSの呼数
・High：リアルタイムサービス呼数＝100ユーザ
・Middle：DCHパケット呼数＝1000ユーザ
・Low：HSUPA呼数＝100ユーザ
（ｂ）各QOSの平均レート
・High： リアルタイムサービス呼平均レート＝12.2kbps
・Middle：DCHパケット呼平均レート＝8kbps
・Low：HSUPAパケット呼平均レート＝32kbps
（ｃ）有線回線帯域＝100Mbps
（ｄ）平均パケット長＝1500oct
とすると、合計帯域は、
合計帯域＝12.2kbps×100user+8kbps×1000User+32kbps×200user=15.6Mbps
となり、求められた合計帯域は、有線回線帯域より小さいため、式（３ａ）、（３ｂ）、（３ｃ）に基づいて、次の通り、各QoSのシェーピング量が計算される。
1) QoSレベルHigh
シェーピング量(s)＝1÷((12.2kbps×100user÷1500oct)×係数3)=409μs
2) QoSレベルMiddle
シェーピング量(s)＝1÷((8kbps×1000user÷1500oct)×係数2)=93μs
3) QoSレベルLow
シェーピング量(s)＝1÷((32kbps×200user÷1500oct)×係数1)=234μs
＜第２のシェーピング制御＞
第２のシェーピング制御では、上位装置側で無線基地局２０からのデータ信号にデータ抜けが検出されると、上位装置が無線基地局２０に対してシェーピング制御に関する制御信号を送信し、無線基地局２０は該制御信号に基づいてシェーピング量を調整する。

図４は、第２のシェーピング制御を説明する図であり、図１の構成例における基地局制御装置（RNC）４０から無線基地局（NodeB）２０への制御信号の伝送を模式的に示す。また、図５は、第２のシェーピング制御の処理フローチャートである。図４を参照しながら、図５に沿って説明する。

基地局制御装置４０は、ルータ３０を介して、複数の無線基地局２０−ｉ（ｉ＝１，２、…）からデータ信号（パケットデータ）を受信する（S200）。基地局制御装置４０は各無線基地局２０−ｉ毎に受信制御部４１を有し、さらに、各受信制御部４１は、QoS毎の受信バッファ（図４におけるHighバッファ、Middleバッファ、Lowバッファ）を有し、QoS毎にパケットデータを蓄積する（S202）。

受信制御部４１は、各パケットデータのシーケンス番号（SN: Sequence Number）を監視し（S204）、データ抜けの有無を判定する（S206）。

受信制御部４１は、データ抜けを検出すると、データ抜けの発生した無線基地局２０−ｉに対して、シェーピング量の変更を指示する制御信号（制御パケット）を送信する（S208）。図４の例では、無線基地局２０−１からのデータ信号のうち、QoSレベルMiddleのデータパケットSN=2の抜けが発生しているため、無線基地局２０−１に対して、シェーピング量の変更を指示する制御信号が送信される。受信制御部４１は、データ抜け検出部及びシェーピング指示部として機能する。

図６は、制御信号のフォーマット例を示す図である。ヘッダは無線基地局２０を識別する情報などの宛先情報を含む。QoS種別はシェーピング量を変更するQoSを指定する情報を含む。シェーピング量を変更するQoSは、例えば、データ抜けが発生したQoSレベルとする。あるQoSレベルでデータ抜けが発生した場合に、一律にすべてのQoSレベルのシェーピング量を変更すると、リアルタイムサービスを提供するQoSレベルのサービス低下につながるため、QoS毎にシェーピング量を変更する。図４の例では、QoSレベルMiddleでデータ抜けが発生した場合は、QoSレベルMiddelが指定される。

シェーピング量は、シェーピング量の変更量の情報を含み、例えば10μs程度の固定値である。シェーピング量を指定された値だけ大きくすることで、データ送信間隔が広がり、ピーク転送レートが低下するため、データロスの発生が低減する。制御信号は、CRCなどの誤り訂正符号を含む。

送信制御部２１のシェーピング制御部２１４は、制御信号に従って、指定されたQoSレベルのシェーピング量を変更し（S210）、データ信号を送信する（S212）。

図５の処理の変形例として、ステップS206において、１回のデータ抜け検出ではなく、QoSレベル毎にデータ抜けの回数をカウントし、複数回データ抜けを検出した場合に、制御信号を送信する構成にしてもよい。

制御信号は、シェーピング量の変更量に代わって、データ抜けの検出結果（基準回数（１回又は複数回）のデータ抜けを検出したこと）、又は、シェーピング量の変更を指示する情報を含むものであってもよい。無線基地局２０は、制御信号を受信すると、自局にあらかじめ設定されているシェーピング量変更量に従って、シェーピング量を変更する。

また、シェーピング量を変更するQoSレベルを、データ抜けが発生したQoSレベルにかかわらず、レベルが低いQoS（図４の例では、QoSレベルLow）に固定してもよい。また、データ抜けが発生したQoSレベルより低いQoSレベルとしてもよい。これにより、レベルがより高いQoSでデータ抜けが発生した場合でも、該QoS伝送品質を維持しつつ、データロスを防止することができる。

なお、図１の例では、ルータ３０で発生するデータロスを、さらに上位側の基地局制御装置４０で検出する構成であるが、ルータ３０が本シェーピング量調整機能を備えてもよい。また、ルータ３０を介さない構成の場合は、基地局制御装置４０自身で発生するデータロスに対して、本シェーピング調整機能が適用される。

図７は、無線通信システムの別の構成例を示す図であり、図７の構成例は、LTEの無線通信システムの構成例を示し、該無線通信システムは、移動端末（MS）１０、無線基地局（eNodeB:evolved NodeB）２０、ルータ３０、基地局制御装置（aGW：access Gateway）４０を備えて構成される。ルータ３０及び基地局制御装置(aGW)４０が、無線基地局２０の上位装置に相当する。図７の構成例についても、上述した本実施の形態例は適用可能であり、また、本実施の形態例のデータ送信方法が適用される無線通信システムは、図１及び図７の構成例に限定されるものではない。

W-CDMAシステムやLTEシステムなどの無線通信システムに利用可能である。

Claims (18)

1. 移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムにおけるデータ送信方法であって、
   前記無線基地局がそれぞれ、データ送信間隔を調整するシェーピング量に応じてデータを出力するシェーピング制御を行い、前記上位装置に送信するデータ送信方法。
2. 前記シェーピング量が、無線通信を実行中の前記移動端末の数と、該移動端末との無線通信でそれぞれ実行中の通信サービスのＱｏＳ（Quality of Service）レベルとに基づいて設定される請求項１記載のデータ送信方法。
3. 前記シェーピング量として、前記実行中の各通信サービスのＱｏＳレベル毎に、該各通信サービスの平均レートと呼数との積を、該各通信サービスの平均パケット数で除算した値、の逆数を算出して用いる請求項２記載のデータ送信方法。
4. 前記シェーピング量として、前記実行中の各通信サービスのＱｏＳレベル毎に、前記各通信サービスの平均レートと呼数との積を、該各通信サービスの平均パケット数で除算した値に、該ＱｏＳレベルに応じて設定される係数を乗算した値、の逆数を算出して用いる請求項２記載のデータ送信方法。
5. 前記係数がそれぞれ、前記実行中の各通信サービスのＱｏＳレベル毎に、該ＱｏＳレベルが高いほど大きく設定される請求項４記載のデータ送信方法。
6. 前記係数がそれぞれ、前記実行中の全ての通信サービスの合計帯域が、前記無線基地局と前記上位装置との間の有線回線帯域を越えない範囲で設定される請求項４又は５記載のデータ送信方法。
7. 前記実行中の全ての通信サービスの合計帯域が、前記無線基地局と前記上位装置との間の有線回線帯域より小さいときに、前記シェーピング制御を行う請求項１〜６のうちいずれか記載のデータ送信方法。
8. 前記上位装置が、前記無線基地局から受信したデータを監視してデータ抜けを検出し、該データ抜けの検出結果に応じて、前記シェーピング制御に関する信号を前記無線基地局へ送信し、
   前記無線基地局が、受信した前記信号に基づいて前記シェーピング制御を行う請求項１〜７のうちいずれか記載のデータ送信方法。
9. 前記上位装置が、前記無線基地局から受信したデータを監視してデータ抜けを前記ＱｏＳレベル毎に検出し、前記無線基地局のうち、該データ抜けが所定値以上検出されたＱｏＳレベルに対応した所定の通信サービスを実行中の無線基地局に対して前記シェーピング制御に関する信号を送信する請求項２〜７のうちいずれか記載のデータ送信方法。
10. 前記上位装置が、前記無線基地局のうち、前記データ抜けが所定値以上検出されたＱｏＳレベルと同じレベルの通信サービスを実行中の無線基地局に対して前記信号を送信する請求項９記載のデータ送信方法。
11. 前記上位装置が、前記無線基地局のうち、前記データ抜けが所定値以上検出されたＱｏＳレベルより低いレベルの通信サービスを実行中の無線基地局に対して前記信号を送信する請求項９記載のデータ送信方法。
12. 前記上位装置が、前記シェーピング制御に関する信号として、前記データ抜けの検出結果を示す信号を送信し、
    前記無線基地局が、前記データ抜けが所定値以上検出されたときに前記シェーピング制御を実行する請求項８〜１１のうちいずれか記載のデータ送信方法。
13. 前記上位装置が、前記シェーピング制御に関する信号として、前記データ抜けが所定値以上検出されたときに前記シェーピング制御の実行を指示する信号を送信し、
    前記無線基地局が、前記信号の受信に応じて前記シェーピング制御を実行する請求項８〜１１のうちいずれか記載のデータ送信方法。
14. 前記上位装置が、前記シェーピング制御に関する信号として、前記シェーピング量の変更を指示する信号を送信し、
    前記無線基地局が、前記信号の受信に応じて、前記シェーピング量を予め定められた所定量を用いて増減する請求項８〜１１のうちいずれか記載のデータ送信方法。
15. 前記上位装置が、前記シェーピング制御に関する信号として、前記シェーピング量の変更量を指示する信号を送信し、
    前記無線基地局が、前記信号の受信に応じて、前記シェーピング量を前記変更量を用いて増減する請求項８〜１１のうちいずれか記載のデータ送信方法。
16. 移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムで用いられる無線基地局であって、
    送信バッファにバッファリングされたデータを、データ送信間隔を調整するシェーピング量に応じて出力するシェーピング制御を行うシェーピング制御部と、
    該出力されたデータを前記上位装置に送信する送信部と、
    を有する無線基地局。
17. 移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムで用いられる上位装置であって、
    前記無線基地局からのデータを受信して受信バッファにバッファリングする受信部と、
    前記受信バッファにバッファリングされたデータを監視してデータ抜けを検出するデータ抜け検出部と、
    前記データ抜けの検出結果に応じて、前記無線基地局からのデータ送信間隔をシェーピング量に応じて調整するシェーピング制御に関する信号を該無線基地局へ送信するシェーピング指示部と、
    を有する上位装置。
18. 移動端末と無線通信を行う複数の無線基地局が上位装置に接続された無線通信システムであって、
    前記無線基地局がそれぞれ、
    送信バッファにバッファリングされたデータを、データ送信間隔を調整するシェーピング量に応じて出力するシェーピング制御を行うシェーピング制御部と、
    該出力されたデータを前記上位装置に送信する送信部と、を有し、
    前記上位装置が、該無線基地局から送信されたデータを受信して受信バッファにバッファリングする無線通信システム。

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