JP2007124622A - Ｗｌａｎおよびｕｍｔｓのための、新規なバーチカルハンドオーバー制御アルゴリズム - Google Patents

Abstract

【課題】スループットベースのマッピング機能、ＱｏＳベースのダイナミックなハンドオーバー閾値、およびパーフォーマンスベースのトリガータイマーを備える、統合ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳシステムを提供する。
【解決手段】スループットベースのマッピング機能、ＱｏＳベースのダイナミックなハンドオーバー閾値、およびパーフォーマンスベースのトリガータイマーを備える、共通でないパイロット問題、ＱｏＳ要求、およびピンポン効果をそれぞれ解決するための、新規なバーチカルハンドオーバーの制御アルゴリズムが提案される。ハンドオーバーの頻度および達成可能なスループットの点から、提案されるアルゴリズムを評価するために、有限の状態マシンに基づく解析モデルが開発される。パーフォーマンスの効果をさらに数値化するために、数値解析が同様に提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、バーチカルハンドオーバーの制御アルゴリズムに関し、特に、バーチカルハンドオーバーの頻度を削減することにより、ノンリアルタイムサービスのトランスミッションスループットを改善し、リアルタイムサービスのパケットロスレートを実質的に削減するための、スループットベースのマッピング機能、ＱｏＳベースのダイナミックなハンドオーバー閾値、およびパーフォーマンスベースのトリガータイマーを備える、統合ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳシステムに関する。

ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）は、ＩＥＥＥ８０２．１１．に標準化されている。それは、高速通信（最大５４Ｍｂｐｓ）および低い配置コストを特徴としている。他方、より高い配置コストにより、第３世代ワイヤレスシステム、つまりユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（ＵＭＴＳ）は、通信レートはより遅い（最大戸外で３８４ｋｂｐｓ、屋内で２．３Ｍｂｐｓ）が、より広い受信可能範囲という利点を有する。これらの二つのシステムの可搬性とデータレートの間の補完的な特性は、統合ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳシステムを、将来のワイヤレスシステムにとって必要不可欠なものとする。ネットワーク内のリソースマネジメント問題を無視する一方で、この新しい異質なワイヤレスネットワークを設営するためには、当初のネットワークの選択とネットワーク間におけるバーチカルハンドオーバー制御が同様に重要である。バーチカルハンドオーバーにおいては、（１）共通パイロットのなさ、（２）ネットワークの間のＱｏＳサポート、および（３）ピンポン効果、の三つの設計上の難題がある。

これらの難題を解決するため、バーチカルハンドオーバーのアルゴリズムのいくつかの態様が調査されている。これらの研究と構想案は、ＵＭＴＳとＷＬＡＮシステムの間にバーチカルハンドオーバーのための規格が欠けているために、この統合システムを設計するための異なる考察と原理を有している。これは、統合システムに適する完全かつ正確な方法の欠如の原因になっている。例えば、なかにはネットワーク層の設計に焦点を当てるものがいる一方で、あるものは物理的な研究に注意を払っている。最も重要なこととして、これらの研究が一般的にＵＭＴＳおよびＷＬＡＮシステムのみに対する異なる特性を考慮しており、異なるアプリケーションの要求を満たすためのＱｏＳ制御を忘れていることである。

特許文献１（米国特許公開公報２００４００６７７５４号、「異質なネットワークの間のバーチカルハンドオーバーにおけるサービスの品質をサポートするためのシステムおよび方法」）を参照すると、複数のＱｏＳ特性に対応するためのハンドオーバーパスを設定することにより特徴づけられる、異質なネットワークの間のバーチカルハンドオーバーをサポートするシステムと方法が開示されている。この方法では、バーチカルハンドオーバーの手続を作り上げるために、いくつかのブロックユニットが利用されており、そこでは各々のブロックが個々の作業を取り扱う。しかしながら、各々のブロックの間の関係は無視され、それが異なる要求に対するＱｏＳのパーフォーマンスの低下を引き起こしえる。同様に、信号伝送とオーバーヘッドの周波数は多数のブロックのおかげでより高く、遅延の問題の影響を受けたリアルタイムサービスを低下させる。その上、この発明はネットワーク層（上部層）の設計に焦点を当てているが、物理層（ＲＦ条件、スループットパーフォーマンス、モバイル速度等）には注意を払っていない。

特許文献２（米国特許公開公報２００４００７６１７９号、「ハイブリッドＵＭＴＳ／ＷＬＡＮテレコミュニケーションシステム」）は、インターフェイスまたはインターワーキングユニット（ＩＷＵ）が、３ＧＰＰ／ＵＭＴＳ型のシステムのラジオネットワークコントローラー（ＲＮＣ）に連結されたシステムを提案している。しかしながらこのデザインでは、制御はＷＬＡＮに対する負荷条件のみを考慮しているが、ＱｏＳの問題を無視し、ＲＮＣがＩＷＵからレポートを受信した後決定を行う手続は、どちらも特定されていない。このアプリケーションは大まかな概念を提供するのみで、実質的な技術内容を欠いており、従って実施することは困難である。

非特許文献１（Ｚ．Ｈ．Ｊ．ワン、Ｒ．Ｈ．キャッツ、Ｊ．ギース著「異質なワイヤレスネットワークにわたってポリシーを可能にしたハンドオフ」ＷＭＣＳＡ、１９９９）は同様に、何が「最良」のワイヤレスシステムであるかについてのポリシーをユーザーがいつでも表現できるようにし、コスト、パーフォーマンスおよび消費電力のようなネットワーク特性の間でトレードオフをすることができる、ポリシーを可能にしたハンドオフシステムを記述している。しかしながらこの発明は、サービスを伴わないシステムの特性のみを考慮し、バンド幅の測定と数量化は異なるシステムに対して異なっており、従って異質なネットワーク環境を理由に比較可能な値として直接使用することができない。
米国特許公開公報２００４００６７７５４号、「異質なネットワークの間のバーチカルハンドオーバーにおけるサービスの品質をサポートするためのシステムおよび方法」 米国特許公開公報２００４００７６１７９号、「ハイブリッドＵＭＴＳ／ＷＬＡＮテレコミュニケーションシステム」 Ｚ．Ｈ．Ｊ．ワン、Ｒ．Ｈ．キャッツ、Ｊ．ギース著「異質なワイヤレスネットワークにわたってポリシーを可能にしたハンドオフ」ＷＭＣＳＡ、１９９９年（"Policy-Enabled Handoffs Across Heterogeneous Wireless Networks" Z. H. J. Wang, R. H. Kats, and J. Giese, WMCSA, 1999）

従って、これら期待されたアルゴリズムは、統合の目標（全ての種類のサービスで、より高いＱｏＳ環境をユーザーにサポートする）を達成することができない。これは、この分野における関連する基本理念を設計するための現在の欠陥である。

統合システムのための、完全でかつ正確な方法が欠落していることを理由として、ＷＬＡＮとＵＭＴＳシステムの間で使用するための、新規なバーチカルハンドオーバーの制御アルゴリズムが提案される。

この発明においては、三つの主要な機能が含まれており、それらは：
Ａ．スループットベースのマッピング機能−この機能は、ハンドオーバーの決定を行うための、実際のスループットパーフォーマンスに基づく比較可能な値を提供することができる。
Ｂ．ＱｏＳベースのダイナミックハンドオーバーの閾値−これは、全ての種類のサービスに対して適切である、ハンドオーバートリガーを調整し、ユーザーが最良の品質を楽しむことができるようにする。
Ｃ．パーフォーマンスベースのトリガータイマー−これは、ピンポン効果が発生した場合においてさえも、ハンドオーバーを価値あるものとするために、トリガータイマーの長さを設定する。

これらおよび他の本発明の特徴は、添付の図面と共に以下の発明の詳細な説明により詳細に示される。

本発明は、添付の図面において、限定する目的ではなく例示を目的として図示されるが、そこでは同様の要素に対しては同様の番号が参照されている。図面において、図１は、本発明に係る、リンク適合を含むＷＬＡＮシステムにおける、スループットと実効ＳＮＲの間のマッピング関係を示す。図２は、本発明に係る、ダウンリンクのハンドオーバーに対するトリガー時間の機能性を示す。図３は、提案されるバーチカルハンドオーバーの手続を示す。

本発明は、添付の図面に示されているように、いくつかの好適な実施形態を参照して、ここで詳細に説明される。以下の記述においては、本発明の徹底した理解を提供するために、多くの特定の詳細が述べられている。しかしながら、それら特定の詳細のいくつかまたは全てが無くとも、本発明が実施化できることが、当業者には自明であろう。他の例では、不必要に本発明を曖昧にしないように、周知のプロセスのステップおよび／または構成は、詳細には記述されない。

バーチカルハンドオーバーのアルゴリズムは、三つの関連する基本理念により構成され、それらの基本理念の機能は以下に述べられる。

Ａ．スループットベースのマッピング機能
図１を参照すると、ＷＬＡＮのパーフォーマンス曲線に基づいて、ＵＭＴＳからＷＬＡＮへの実行可能なレートＲ_ＵＭＴＳおよびＲ_ＷＬＡＮの間のマッピングと、対応する実効ＳＮＲ値、Ｓ_ＵＭＴＳおよびＳ_ＬＡＮを特定することができる。手短に言うと元のＳＮＲ測定は、実現可能なスループットを推定するために、最初に用いられる。マッピングモジュールを通して、対応する実効ＳＮＲ、Ｓ_ＷＬＡＮおよびＳ_ＵＭＴＳは、ＷＬＡＮのパーフォーマンス曲線に基づいて計算されている。ダイナミックなバーチカルハンドオーバーの制御アルゴリズムは、この実効ＳＮＲに基づいて誘導されることができる。

基本的にバーチカルハンドオーバーは、ある時間間隔でＳ_ＷＬＡＮおよびＳ_ＵＭＴＳ値の間の差が、ある閾値を超えるかまたはそれ以下に低下した時にトリガーされる。式（１）に述べられているように、ＵＭＴＳからＷＬＡＮへのダウンリンクハンドオーバーは、ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}秒の間ＷＬＡＮからの実効ＳＮＲが、ＨだけＵＭＴＳのそれより大きい場合に、トリガーされる。式（２）からは、ＷＬＡＮからＵＭＴＳへのアップリンクハンドオーバーに対しては、ΔＴ_{ｕｐｌｉｎｋ}秒の間ＵＭＴＳからの実効ＳＮＲが、ＨだけＵＭＴＳからのそれより大きい場合に、トリガーされる。ここで、閾値ＨおよびトリガータイマーΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ／ｕｐｌｉｎｋ}は、ＱｏＳ要求の関数であることができる。

（数１）
Ｓ_ＷＬＡＮ−Ｓ_ＵＭＴＳ>Ｈ ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}の期間 （１）
（数２）
Ｓ_ＷＬＡＮ−Ｓ_ＵＭＴＳ<Ｈ ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}の期間 （２）

Ｂ．ＱｏＳベースのダイナミックハンドオーバーの閾値
バーチカルハンドオーバーの利点を、実行ＳＮＲ値にの他種々の態様に反映させるために、アルゴリズムは、ＱｏＳ要求を満たすため、ダイナミック閾値および関連するタイマーを考慮する必要がある。提案されるバーチカルハンドオーバーのアルゴリズムでは、ダイナミック閾値、Ｈは非リアルタイムのサービスまたはリアルタイムのサービスの、サービスの種類によって決まる。非リアルタイムのサービスに対しては、送信パケットはバースト的に到来し、遅延に影響されない。この場合ユーザーの送信レートが、バーチカルハンドオーバーに対して優先することになる。他方、リアルタイムのサービスに対しては、サービスは遅延限度に厳しい要求がある。その上、ＷＬＡＮからＵＭＴＳへのアップリンクハンドオーバーに対しては、ＷＬＡＮは受信範囲がより狭いので、アップリンクのハンドオーバーでは接続性が絶対不可欠になる。

上記の設計目標を達成するために、ダイナミック閾値は以下で定義される。

ここで、αおよびβは、関連する測定の重要性を決定するための、重み付け因子である。Ｒ_ＷＬＡＮおよびＲ_ＵＭＴＳは、ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳからのそれぞれのサポートされたデータレートである。Δは、ハンドオーバーの待ち時間（バーチカルハンドオーバーに対するプロセスの遅延）である。ｍ、ｎおよびｋは、以下の条件に基づいて決定される、０または１の値である。

ここでＤ_ｉは、アプリケーションｉに対するパケット遅延限度、Ｔ_ｉはアプリケーションｉに対するパケット到着間の時間、およびＢ_ｉは問題とする時間内の最大許容バーストエラー（喪失パケット）である。

この設計の下では、非リアルタイムサービスに対しては、スループット比は閾値、Ｈ、の計算に追加の重み付けを提供する。このダイナミックな閾値は、ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳのスループット比が大きくなる場合には、減少する。これは、ＵＭＴＳからＷＬＡＮへのハンドオーバーを、容易にする。このようにして、非リアルタイムのサービスを有するモバイルは、より高いスループットを実現することができる。リアルタイムのサービスに対しては、オーバーエアエラーの他に、遅延限度が経過した場合のみにパケット喪失が発生し、過度のハンドオーバーの遅延、Δ−Ｄ_ｉが、同様にリアルタイムのサービスにおいて、パケット喪失の原因となる。アプリケーションｉに対する許容可能なパケット喪失の数、Ｂ_ｉにより、バーチカルハンドオーバーに起因するパケット喪失の数、（Δ−Ｄ_ｉ）／Ｔ_ｉは、Ｂ_ｉ以下であるべきである。結果となるエラーパーフォーマンスがＢ_ｉを超えた場合は、劣化の効果が、ダイナミックな閾値、Ｈで考慮される。接続品質を強調するために、式（５）に表現された重み付け因子、β、がパケット喪失の比率の増加に比例して増加する。

最終的に、ピンポン効果を回避するために、タイマーのヒステリシス、Ｔ_{ｕｐｌｉｎｋ}が考慮される。しかしながら、ＷＬＡＮの受信可能範囲は狭いので、どんな過度の遅延も、接続の切断の原因となる。この潜在的な問題を解決するために、タイマーのヒステリシス、Ｔ_{ｕｐｌｉｎｋ}が大きい場合には、早期のアップリンクハンドオーバーのトリガーに対して、ダイナミックな閾値、Ｈが（Δ＋ΔＴ_{ｕｐｌｉｎｋ}）／Δを含んでいる。

Ｃ．パーフォーマンスベースのトリガータイマー
トリガータイマーの目的は、ピンポン効果を解決することである。提案されるアルゴリズムでは、パーフォーマンスベースのトリガータイマーがピンポン効果を制御するために用いられ、そこではトリガータイマーの長さは、ハンドオーバー後の結果であるパーフォーマンスが改善されることができたかによって決まる。
図２に示されるような、バーチカルハンドオーバーのトリガータイマーを決定するために、以下の式が用いられる。

式（６）から、ＵＭＴＳからＷＬＡＮへのハンドオーバーは、ハンドオーバー処理の終了後に、ユーザーがＵＭＴＳにおけるよりも、ＷＬＡＮにおいてより多くのデータを送信することができる時にのみ、行う価値がある。

ダウンリンクのハンドオーバータイマー、ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}を計算するために、このハンドオーバー期間中は、Ｒ_ＷＬＡＮおよびＲ_ＵＭＴＳが安定であることが、仮定される。この場合、タイマーΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}は、式（７）で計算される。

同じ議論が、アップリンクのハンドオーバータイマーの計算に適用できる。アップリンクのハンドオーバーは、式（８）が満足される時に、行う価値がある。

アップリンクのハンドオーバータイマーΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}は、式（９）により計算される。

ハンドオーバータイマーは固定されておらず、ｒの値に基づいて時折更新される。
要約すると、ＵＭＴＳおよびＷＬＡＮシステムの間のハンドオーバー制御のための三つの上記基本理念に基づく全体の手順は、図３に特定されている

本発明に係る、リンク適合を含むＷＬＡＮシステムにおける、スループットと実効ＳＮＲの間のマッピング関係を示す。 本発明に係る、ダウンリンクのハンドオーバーに対するトリガー時間の機能性を示す。 提案されるバーチカルハンドオーバーの手続を示す。

Claims (6)

1. ＵＭＴＳとＷＬＡＮシステムの間のハンドオーバーの決定を行う方法であって、
   測定により信号強度を得て、スループットパーフォーマンスを推定するステップと；
   前記推定されたスループットパーフォーマンスを使用して、比較可能なＳＮＲ値を生成するステップと、；
   異なるアプリケーションに従って、ハンドオーバー閾値Ｈをダイナミックに調整し、効果的にハンドオーバートリガーを制御するステップと；
   ピンポン効果を回避するために、設定されたトリガータイマーΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}、ΔＴ_{ｕｐｌｉｎｋ}を使用して、かつ前記ピンポン効果が発生した場合も該ハンドオーバーを価値あるものとするステップと；
   三つの上記基本理念を組合せた二つの方程式を立ててハンドオーバーの決定を行うステップと；を含み、
   状態確率と遷移確率を有する２状態モデルが、統合システムにおけるハンドオーバーパーフォーマンス研究のための解析モデルとして用いられることを特徴とする方法。
2. 前記比較可能なＳＮＲ値が、実効ＳＮＲ（Ｓ_ＵＭＴＳ、Ｓ_ＷＬＡＮ）として定義され、同じシステム環境において、どのくらい必要とされるＳＮＲ値が前記スループットパーフォーマンスを実現するかを表わすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ダイナミックなハンドオーバー閾値が、以下で定義されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

   

   ここで、αおよびβは、関連する測定の重要性を決定するための重み付け因子であり、Ｒ_ＷＬＡＮおよびＲ_ＵＭＴＳは、ＷＬＡＮおよびＵＭＴＳからのそれぞれのサポートされたデータレートであり、Δは、ハンドオーバーの待ち時間であり、Ｄ_ｉは、アプリケーションｉに対するパケット遅延限度であり、Ｔ_ｉは、アプリケーションｉに対するパケット到着間の時間であり、またＢ_ｉは、問題とする時間内の最大許容バーストエラー（喪失パケット）であり、ここで閾値Ｈは、サンプリング時間毎に更新される。
4. ダウンリンクハンドオーバーおよびアップリンクハンドオーバーのための前記タイマーが、以下で定義されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

   

   ここで、Δはハンドオーバーの待ち時間であり、前記タイマーはサンプリング時間毎に更新される。
5. ダウンリンクハンドオーバーおよびアップリンクハンドオーバーに対する判断は、以下で定義される、請求項１に記載の方法。
   Ｓ_ＷＬＡＮ−Ｓ_ＵＭＴＳ>Ｈ ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}の期間 （１）
   Ｓ_ＷＬＡＮ−Ｓ_ＵＭＴＳ<Ｈ ΔＴ_{ｄｏｗｎｌｉｎｋ}の期間 （２）
6. 前記解析モデルは、状態確率と遷移確率を有する２状態モデルであり、帰納的な方法により全ての確率が解決されることができ、それにより、ハンドオーバーの頻度、平均スループット等のようなハンドオーバーパーフォーマンスが計算されることができることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   

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