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JP4335619B2 - パケット優先制御装置及びその方法 - Google Patents

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Description

本発明は、無線通信システムにおけるパケット優先制御装置及びその方法に関する。
ＩＭＴ−２０００の無線インターフェースの一つであるＷ−ＣＤＭＡ方式は静止時最大２Ｍｂｐｓ（屋外高速移動時は最大３８４ｋｂｐｓ）の高速伝送速度で音声だけでなく、動画像、電子メール、インターネットアクセスなどのマルチメディアアクセスを可能にしている。
Ｗ−ＣＤＭＡの詳細な技術仕様は、３ＧＰＰ（Third Generation Partnership Project）によって標準化が行われており、現在、さらに高速な１０Ｍｂｐｓのダウンリンク高速パケット伝送を実現するＨＳＤＰＡ（High Speed Downlink Packet Access）の標準化も行なわれている。
また、高速パケット伝送下り回線のパケットデータ伝送を目的として、ｃｄｍａ２０００ １ｘ ＥＶのＨＤＲ（High Data Rate）が３ＧＰＰ２によって検討されており、このＨＤＲによれば、最大情報伝送速度２．４Ｍｂｐｓの高速パケット伝送の実現が可能となっている（例えば、非特許文献１参照）。
上記のような高速パケット伝送では、適応無線リンク制御（リンクアダプテーション）に基づく適応変復調・誤り訂正（Adaptive Modulation and Coding (AMC)）や、自動再送要求（Automatic Repeat Request error control Schemes、例えば、非特許文献２参照）といった技術の適用が検討されている。リンクアダプテーション に基づく適応変復調・誤り訂正は、高速データ伝送を効率的に行なうために、各ユーザの伝搬環境に応じてデータ変調多値数、拡散率（Spreading Factor :SF）、マルチコード多重数、さらには誤り訂正の符号化率を切り替える方式である。データ変調については、伝搬環境が良好になるに従って、現在のＷ−ＣＤＭＡで用いられるＱＰＳＫ変調から、より高効率な多値変調、例えば、８ＰＳＫ、１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ変調に切り替えることで、システムの最大スループットを増大させることができる。例として、ＳＦ＝１６、マルチコード数１０、誤り訂正符号化率３／４としたときにデータ変調として６４ＱＡＭを用いれば、チップレートが３．８４ＭｃｐｓのＷ−ＣＤＭＡ無線インターフェースを用いて１０．８Ｍｂｐｓの超高速データ伝送が可能となる。
これらの伝送を効率よく実現するためには、基地局はタイムスロット毎に当該基地局と接続中の移動局の伝搬路状況を監視し、監視結果に基づいて、パケットを高速に送信する高速パケットスケジューリングが有効である。上述のＨＤＲに関する非特許文献１では、最も受信特性が良い移動局に対してパケット送信を行なうことで、セクタ内におけるスループットを最大にする方式が提案されている。ところが、この方式では、移動局によっては、パケットが送信されないという不公正が生じる。そこで、この不公正を低減するために、過去の伝送レートの平均と、瞬時の伝送レート（瞬時の伝送レートはその時点の伝搬路状況によって決まる）の比をとり、その値が大きい移動局に対してパケット送信を行なう方式が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。この方式によれば、セクタスループットの改善と、移動局間の公平性の両立が可能となっている。
さて、双方向テレビ電話やビデオストリーミングといった本格的なマルチメディアサービスを提供するためには、パケットの伝送遅延をサービスによって要求される許容値以下に抑え、所要の伝送レートを実現することが必要である。ところが、上述の２方式においては、伝送遅延や所要の伝送レートを考慮した送信制御を行なわないため、サービスの要求する所要品質を満足できない確率が増加する。一般に、許容遅延や所要伝送レートのみを考慮してスケジューリングを行なうと、受信状態のみを考慮してスケジューリングを行なう場合と比較してシステム全体のスループットは低下する。これに対して、所要品質を満足していない通信に対して送信先移動局の受信状態を考慮することにより、各通信の所要品質を満足しつつ、システム全体のスループットを改善する方式も提案されている（例えば、非特許文献４参照）。
CDMA/HDR: A Bandwidth-Efficient High-Speed Wireless Data Service for Nomadic Users, Paul Bender, Peter Black, Matthew Grob, Roberto Padovani, Nagabhushana Sindhushayana, and Andrew Viterbi - IEEE Communications Magazine, July. 2000 Symbol Rate and Modulation Level Controlled Adaptive Modulation/TDMA/TDD for High-Bit-Rate Wireless Data Transmission, T. Ue, S. Sampei, and N. Morinaga: IEEE Transactions on Vehicular Technology, pp. 1134-1147, vol. 47, no.4, Nov. 1998 Data Throughput of CDMA-HDR a High Efficiency-High Data Rate Personal Communication Wireless System, A. Jalali, R. Padovani and R. Pankaj, IEEE 51st Vehicular Technology Conference, May. 2000 「ALL IPモバイル網アーキテクチャの提案（３）−基地局におけるQoS保証パケットスケジューラの検討−」,(小野他，信学技報，MoMaC2002-3)
しかしながら、非特許文献４記載の従来の方法では、パケットの送信を優先する通信に対して送信先移動局の受信状態を考慮していないため、トラヒックの増加などにより、所要品質を満たさない通信が増加した場合には、システム全体のスループットが減少してしまうと考えられる。したがって、ある通信のパケットが優先送信されるためには、一度所要品質を下回ることになるため、特に遅延要求の厳しいサービスにおいては、パケットロスの発生確率が増加するという問題があった。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、パケットの伝送遅延に対する要求条件を満足しつつ、高効率なパケット伝送が可能になるパケット優先制御装置及びその方法を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明によれば、入力されるパケットに対して優先制御を行なうパケット優先制御装置であって、前記入力されるパケットに対する優先度を１つ以上の要素を用いて階層的に設定するパケット優先度設定手段と、前記設定された優先度にしたがって無線リソースを割当てるパケットを決定する無線リソース割当決定手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記パケット優先度設定手段は、前記１つ以上の要素により、前記入力されるパケットを階層的に優先度の異なるグループに分類する分類手段と、前記分類されたグループの属性に合わせて待ち行列を形成する待ち行列形成手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列形成手段は、前記分類されたグループであって、他の要素を考慮しないことを前記属性とするグループに対しては１つの待ち行列を形成する第１の待ち行列形成手段と、別の要素を考慮することを前記属性とするグループに対しては呼ごとに待ち行列を形成する第２の待ち行列形成手段と、を有し、 前記パケット優先度決定手段は、前記別の要素を考慮するグループの優先度を、前記呼ごとに形成される待ち行列の優先度として設定する待ち行列優先度設定手段と、前記呼ごとに形成される待ち行列の優先度に対して、さらに、別の要素を考慮して優先度を決定する際には、それぞれの待ち行列に格納されるパケットの該別の要素に基づいて呼ごとの優先度を制御する待ち行列優先度制御手段と、を有することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記入力されるパケットに対する優先度を１つ以上の要素を用いて階層的に設定する際に、前記１つ以上の要素のうち、重要度の高い要素ほど浅い階層で考慮することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記入力されるパケットに対する優先度を１つ以上の要素を用いて階層的に設定する際に、前記１つ以上の各要素に対して、重要度の高い要素ほど優先度の格差が大きくなるように考慮することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記１つ以上の要素として、パケットの許容遅延、受信側からの再送要求の有無、パケット送出後の経過時間、各呼が要求する最低伝送レート、各呼の現在までの平均伝送レート、指向性ビームを走査してエリア内の複数の移動局と同時送信が可能なアダプティブアレーアンテナを送信アンテナとして適用したときのパケットの送信先受信局と同時送信可能な他の受信局数、受信局の受信状態のいずれか１つ以上の要素を考慮することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記パケット優先度設定手段は、前記入力されるパケットの優先度を階層化する際に、最初にパケットの許容遅延を考慮することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、あるグループに属するパケットの優先度を、前記１つ以上の要素のいずれに基づいて分類してできた複数のグループの種別に応じて制御する優先度グループ制御手段を有することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記呼ごとに形成される待ち行列に対する優先度を、前記１つ以上の要素のいずれに基づいて制御することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記呼ごとに形成される待ち行列に対する優先度を、受信局の受信状態に基づいて制御する際に、該受信状態を表す情報として、受信局で測定される受信ＣＩＲ又は受信ＳＩＲ又は要求ＭＣＳといった受信品質情報を用いることを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記受信品質情報に基づいて前記呼ごとに設定された待ち行列に対する優先度を制御する際に、
Figure 0004335619
 Ｑｉｎｓｔ ：受信側の受信局の瞬時受信品質
Ｑａｖｇ ：受信側の受信局の平均受信品質
Ｑｗ ：所定の定数
にしたがって算出される値に基づいて前記優先度を制御することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記Ｑｗの値をパケットの許容遅延に基づいて決定することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記呼ごとに形成される待ち行列に対する優先度を、待ち行列の先頭に保持されているパケットの送信元から送出されてからの経過時間に基づいて制御することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記呼ごとに形成される待ち行列に対する優先度を、待ち行列に保持されているパケットのうち、送信元から送出されてからの経過時間が最大のパケットの経過時間に基づいて制御することを特徴としている。
また、本発明によれば、前記パケット優先制御装置であって、前記待ち行列優先度制御手段は、前記呼ごとに形成される待ち行列に対する優先度を、前記経過時間に基づいて制御する際に、
Figure 0004335619
 あるいは
Figure 0004335619
 ｔ ：パケットの経過時間
Ｔｒｅｑ ：パケットの許容遅延
ＴＰｒｉ ：所定の定数
ａ ：所定の定数
にしたがって算出される値に基づいて前記優先度を制御することを特徴としている。
上記発明によれば、入力されるパケットの優先度を、予め定められる要素（例えば、許容遅延等）に基づいて設定し、さらに、他の要素（例：再送要求の有無等）を考慮して、先に設定した優先度を調整した後、無線リソースを割当てるべきパケットを決定することにより、パケットの伝送遅延に対する要求条件が満足され、高効率なパケット伝送が可能になる。すなわち、システム全体のスループットを増大させることができる。
本願発明によれば、入力されるパケットの優先度を、予め定められる要素（例えば、許容遅延等）に基づいて設定し、さらに、他の要素（例：再送要求の有無等）を考慮して、先に設定した優先度を調整した後、無線リソースを割当てるべきパケットを決定することにより、パケットの伝送遅延に対する要求条件が満足され、高効率なパケット伝送が可能になる。すなわち、システム全体のスループットを増大させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の実施の一形態に係るパケット優先制御方法が適用されるパケット優先制御装置は、例えば、図１に示すように構成される。このパケット優先制御装置は、ネットワーク（例えば、ＩＰネットワーク）と接続され、ネットワークからのＩＰパケット（以下、パケットと略記）を受信し、優先制御を行なって受信局に送信する。本例では、パケット優先制御装置は移動体通信システムの基地局であり、受信局は移動局（例：携帯電話、携帯情報端末など）であるとする。
図１において、基地局１００は、ヘッダ情報取得部１０と、パケット選別部１１と、ＰＤＵ分割部１２と、待ち行列部（バッファキュー）１３と、セレクタ１４と、チャネル符号化部１５と、待ち行列管理部１６と、スケジューラ１７と、移動局位置管理部１８と、送信アンテナ３０から構成される。
ヘッダ情報取得部１０は、基地局１００に到着したパケットに対して、発送元および送信元アドレス（移動局ＩＤ）、サービス種別、発送元におけるパケット送出時刻といったヘッダ情報の読み取りを行なう。パケット選別部１１は、パケットヘッダ情報取得部１０にて取得したヘッダ情報をもとに待ち行列部１３の該当する待ち行列に振分ける。ＰＤＵ分割部１２はパケットを待ち行列に分割する前に、無線区間のデータ転送単位であるＰＤＵに分割する。待ち行列部１３の待ち行列は、所定のメモリ上に設定され、ＰＤＵに分割されたパケットを同一の通信に属するデータ毎に格納する。待ち行列管理部１６は、各待ち行列に格納されているパケットの発信元及び送信先アドレス（例：移動局ＩＤ）、トラヒック種別、送信元から送出された時刻等の情報を保持すると共に、待ち行列部から送出されるパケットの平均伝送レートを管理する。スケジューラ１７は、各通信に対して無線リソース割当ての優先度値を算出し、優先度値にしたがって無線リソースを割当てる通信および無線リソース量を決定し、その結果をセレクタ１４に指示する。セレクタ１４はスケジューラ１７からの指示に基づいて、待ち行列部１３の該当待ち行列から指定された量のパケットデータを取り出し、チャネル符号化器１５に出力する。チャネル符号化器１５に入力されたパケットは、誤り訂正符号化等の処理が施され、送信アンテナ３０を介して受信側の移動局へと送出される。
図２は、複数の優先度要素を考慮して基地局に入力されたパケットの優先度を決定する本発明のパケット優先制御処理の概念を説明するための図である。
本発明に係るパケット優先制御では、基地局に到着するパケットは、複数の要素によって階層的に優先度の異なるグループに分類される。以下、具体例を説明する。
本実施形態では、基地局に到着したあるユーザ宛のパケットがＧｒｏｕｐ ｎ−１＿Ａに分類されているものとする。このＧｒｏｕｐ ｎ−１＿Ａは、ｎ−１番目の上位の階層に属しており、例えば、“Ａ”という要素によって分類され、ある優先度を持つグループとしてグループ化されたものである。
Ｇｒｏｕｐ ｎ−１＿Ａに属するパケットは、その後、次の階層（ｎ番目の階層）で、“Ａ”，“Ｂ”，“Ｃ”という３つの要素によって３つのグループ（Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ａ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｂ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｃ）に分けられ、それぞれが優先度の異なるグループとして分類される。本実施形態では、同一の階層は、同じ要素によって優先度の異なる複数のグループに分類されることを想定している。そのため、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ａ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｂ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｃは、同じ要素によって分類されるものの、それぞれの優先度は異なっている。
上記のようにして分類された３つのグループは、以後、さらに、新たな要素を考慮するか否かによって下位の層にてグループ化されるかどうかが判断される。本例の場合、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ａに対しては、さらに、新たな要素が考慮され、結果として、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ａ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ｂ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ｃの３つのグループに細分化される。一方、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｂ及びＧｒｏｕｐ ｎ＿Ｃに対しては、さらなる新たな要素は考慮されない。
本実施形態では、パケットの許容遅延や利用されるサービス種別（例：ＱｏＳ）などといった、時間に対して不変の要素を上位の階層に設定する。これにより、同一のユーザ宛のパケットを同じグループに分類することが可能となる。
その後、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ａ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ｃに属するパケットに対しては、１つの待ち行列が形成され、優先度の高いパケットから順に送信される。一方で、Ｇｒｏｕｐ ｎ＋１＿Ｂ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｂ、Ｇｒｏｕｐ ｎ＿Ｃに属するパケットに対しては、送信先が同一のユーザであるパケット同士で待ち行列が形成され、各待ち行列に対し、各パケットの優先度が時間変動するような別の要素（例：送信先端末の受信品質やパケットが送出されてからの経過時間など）によって優先度が決定され、決定された優先度順にパケットが送信される。このとき、考慮する要素に対する優先度によっては、上位のグループに属していた待ち行列と優先度の入れ替えが許容される。
このように本実施形態におけるパケット優先制御では、パケットの優先度を決定する際に、複数の優先度決定要素を考慮して階層的にパケットの優先度を決定する。すなわち、各々の通信に対して許容遅延に応じた優先度が設定されるようになるので、スループットの影響を最小限に抑えることが可能となり、結果として高効率なパケット伝送を実現することができる。
図３は、パケットデータを格納するための待ち行列をメモリ上に設定する通信開始時の基地局での処理手順を示すフローチャートである。
同図において、基地局１００のヘッダ情報取得部１０は、通信開始時、ネットワーク側から到着したパケットを受信すると、その受信したパケットからヘッダ情報を取得し、ヘッダ情報から到着したパケットが制御情報を含んだ制御パケットであるかどうかを確認する。ここで、確認されたパケットが新規の通信開始を要求する制御パケットである場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、その制御パケットから送信元及び送信先を識別（ステップＳ３）し、次いでトラヒックの種別を識別（ステップＳ４）する。なお、ネットワーク側から到着したパケットが新規通信開始要求を示す制御パケットでないとき（ステップＳ１でＮＯ）は、他の制御処理が実行（ステップＳ２）される。
ステップＳ５では、ステップＳ４で識別されたトラヒック種別から許容遅延などの伝送遅延に対する要求条件を特定し、通信開始要求のあった呼が遅延保証を要求（データレート保証を要求）する呼、例えば、リアルタイムを要求するものや、応答時間の制限が厳しいものかどうかが判定される。この判定で、上記呼が遅延保証を要求する呼であると判定されれば（ステップＳ５でＮＯ）、基地局１００における現在のリソース使用状況を基に、遅延保証や最低帯域保証の要求条件を満たす空きリソースがあるかどうかが判定され、空きリソースがあれば上記呼の受付が可能と判定（ステップＳ６でＹＥＳ）され、ステップＳ８に移行する。一方、ステップＳ６において、上記の要求条件を満たす空きリソースがないと判定された場合は、当該呼の受付は不可能と判定され（ステップＳ６でＮＯ）、受付拒否の処理が実行される（ステップＳ７）。
また、ステップＳ５において、上記呼が遅延保証を要求する呼でないと判定されたときは（ステップＳ５でＮＯ）は、ステップＳ６の呼受付可否判定をスキップしてステップＳ８に移行する。
ステップＳ８では、通信開始要求のあった通信で伝送されるパケットを格納するための待ち行列が待ち行列部１３内の所定のメモリ上に設定され、その設定された待ち行列のアドレスの情報がヘッダ情報取得部１０から待ち行列管理部１６へと通知される（ステップＳ９）。
ヘッダ情報取得部１０は、ステップＳ４で識別されたトラヒック種別から特定される許容遅延に基づいて優先度値を設定し（ステップＳ１０）、該優先度値を待ち行列管理部１６に通知する（ステップＳ１１）。その後、待ち行列管理部１６では、待ち行列部１３の該当待ち行列のアドレスの情報と、通信の送信元および送信先のアドレス情報、許容遅延に基づく優先度値、要求される最低帯域保証の情報などを関連付けて保存・管理する。
図４は、ネットワークから受信したパケットを適切な待ち行列に格納する通信中基地局での処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、ネットワークから基地局１００に到着したパケットが、既に通信を開始している移動局宛のパケットである場合を想定し、以下、説明をする。
同図において、基地局１００のヘッダ情報取得部１０は、受信したパケットのヘッダ情報から送信元・送信先を識別し（ステップＳ２１）、結果をパケット選別部１１に通知する。また、ヘッダ情報取得部１０は、受信したパケットのヘッダ情報から送信元における送出時刻の情報（送出時刻情報）を取得（ステップＳ２２）し、結果を、待ち行列管理部１６に通知する。
パケット選別部１１は、ヘッダ情報取得部１０からの送信元・送信先の情報と、待ち行列管理部１６で管理されている待ち行列部１３の該当の待ち行列の情報（送出時刻情報含む）を照合し（ステップＳ２３）、上記のパケットを上記通信用に設定した待ち行列に振分ける。パケット選別部１１にて振分けられた上記のパケットは、その後、ＰＤＵ分割部１２において無線区間のデータ転送単位であるＰＤＵ(Protocol Data Unit：プロトコルデータユニット)に分割され（ステップＳ２４）、該当の待ち行列の末尾に格納される（ステップＳ２５）。
一方で、待ち行列管理部１６は上記送出時刻情報を、分割したＰＤＵに関連付けて保存する（ステップＳ２６）。なお、該当の待ち行列に格納された送信待ちのパケットは、スケジューラ１７によって無線リソースが割当てられるまで送信待ちとなる。
図５は、各通信に対する無線リソースの割当の優先度を決定する基地局での処理手順を示すフローチャートである。
同図において基地局１００のスケジューラ１７は、送信未完了のＰＤＵを持つ待ち行列を待ち行列部１３から検出し（ステップＳ３１）、その検出された待ち行列に関連付けられている許容遅延に基づく優先度値を待ち行列管理部１６から取得する（ステップＳ３２）。
ステップＳ３３では、スケジューラ１７は、移動局から送られてくる上記検出した待ち行列に対する再送要求の有無を検出し、待ち行列管理部１６に通知する。この再送要求は、移動局がデータの受信誤りを検出したときに、基地局１００に送られるもので、ＰＤＵ単位で送信される。
待ち行列管理部１６は、スケジューラ１７からの再送要求を受けとり、再送要求のあったＰＤＵがどの待ち行列から送出されたものかを識別し、該当する待ち行列を使用する通信に対して優先度値を増加させる（ステップＳ３４）。このとき、優先度値の増加分は、上記該当する待ち行列の許容遅延に基づいて決定される。
上記のようにして待ち行列管理部１６で増加させられた優先度値はスケジューラ１７に通知される。
ステップＳ３５では、スケジューラ１７は、各通信の送信先移動局の受信状態に関する情報（例えば、受信ＳＩＲ（Signal-to-Interference Ratio：希望波受信電力対干渉信号電力比））を取得し、取得した受信状態に応じて、上記の優先度値を増減させる（ステップＳ３６）。このとき、当該優先度値の増減分は該当する待ち行列の許容遅延によって異なる。なお、上記受信ＳＩＲは、各移動局から基地局１００に無線伝送されスケジューラ１７に送られる。
ステップＳ３７では、スケジューラ１７は、待ち行列部１３の待ち行列の先頭に格納されている送信未完了のＰＤＵを構成要素とするパケットの送出時刻情報を待ち行列管理部１６から取得し、ステップＳ３８において、上記パケットが送信元から送出されてからの経過時間情報を待ち行列管理部１６から取得する。
スケジューラ１７は、上記取得した経過時間情報に基づき上記優先度値を増加させる（ステップＳ３９）。このとき、優先度値の増加分は該当する待ち行列の許容遅延によって決まる。
ステップＳ４０では、スケジューラ１７は、該当する待ち行列の要求レート情報（ここでは、目標伝送レートという）及び現在のデータ送出レートの情報（ここでは、現在の平均伝送レートという）を待ち行列管理部１６から取得し、ステップＳ４１において目標伝送レートに対して現在の平均伝送レートが下回っている待ち行列の通信に対し優先度を増加させる。逆に、目標伝送レートに対して現在の平均伝送レートが上回っている待ち行列の通信に対しは優先度を減少させる。
ステップＳ４２では、スケジューラ１７は送信未完了のＰＤＵを持つ待ち行列の通信に対する優先度値を比較し、該通信に対する無線リソース割当の優先順位を決定する。そして、ここで決定された無線リソース割当の優先順位の情報がセレクタ１４に出力される（ステップＳ４３）。
このように本実施形態では、スケジューラ１７は、優先順位の高い通信の使用する待ち行列で送信待ちとなっているＰＤＵに対して無線リソースの割当を決定するので、優先順位の高い通信の呼損を大幅に抑制することが可能である。したがって、本実施形態によれば、より効率的なパケット送信が可能となる。
図６は、各通信に対して無線リソースを割当てる際の、各パケットに対する優先度を決定する過程を説明するための図である。
同図が示すように、本発明では、遅延要求を実現するために許容遅延を最重要視し、許容遅延の短いＰＤＵを格納する待ち行列に対して高い優先度を設定する（１）。また、再送による遅延を短縮するために再送要求のあるＰＤＵを格納する待ち行列に対して高い優先度を与える（２）。さらに、できるだけ送信先移動局の受信状態の良好なタイミングでパケットの送信を行なうために送信先移動局の受信状態を考慮する（３）。すなわち、受信状態の良い移動局をできるだけ選択しつつも受信状態の悪い移動局との間の公平性が確保されるようにする。
このように本実施形態では、上記のような優先度決定要素が考慮されてパケットの送信優先度が決定される。
次に、図７を参照しながら、送信優先度の決定要素を「許容遅延」としたときの送信優先度決定方法を説明する。許容遅延に基づく優先度値は、通信開始時の待ち行列の設定と同時に行われ、待ち行列部１３の該当の待ち行列を使用する通信の許容遅延が短いほどその該当の待ち行列に対する優先度値が大きく設定される。例えば、図７の例では、通信１の待ち行列→通信２の待ち行列→通信Ｎの待ち行列の順に優先度値が５→４→３（数値は一例）のようにして設定される。
続いて、図８を参照しながら、送信優先度の決定要素を「再送要求」としたときの送信優先度決定方法を説明する。再送要求に対する優先度値は、再送対象となっている待ち行列部１３の該当の待ち行列に格納されているＰＤＵが再送されるまでの間、許容遅延に基づいて設定した優先度値に再送による優先度が増加させられて設定される。図８の例は、再送対象のＰＤＵを持つ待ち行列が、各通信（通信１〜通信Ｎ）毎に存在し、各通信の待ち行列の中で通信１の待ち行列が一番許容遅延の短いＰＤＵを持つ待ち行列であり、次いで通信２→通信Ｎの順に再送対象のＰＤＵに対する許容遅延が長くなっている。
このような待ち行列が存在する場合、本実施形態では、ぞれぞれの待ち行列に設定されている許容遅延に応じて再送による優先度が増加される。例えば、本例の場合、通信１の待ち行列の許容遅延が一番短いため、再送による優先度値の増加量が図８の右部分に示すように最も大きくなっている。次いで、通信２の待ち行列１３、・・・通信Ｎの待ち行列の順に再送による優先度値の増加量は減少する。つまり、通信１、通信２、・・・通信Ｎの順に再送対象のＰＤＵが送信スロットに割り付けられて送信される。
このように本実施形態では、再送要求のある通信に対して優先度値を増加して優先的にリソースを割当てることにより、再送対象のＰＤＵを構成要素とするパケットの伝送遅延を短縮することが可能となる。このとき、優先度の増加分は全通信に対して同一としても良いが、再送要求のある通信に対して無線リソースを優先的に割当てることにより、送信先となる移動局の受信状態に関わらず送信される確率が増加する。そのため、さらなる受信誤りを誘発してシステム全体の送信効率が低下してしまう恐れがある。そこで、再送要求のある通信に対する優先度の増加分は、該当する待ち行列の通信の許容遅延が長く、伝送遅延を短縮する必要性の小さい通信ほど優先度値の増加量を小さくし、許容遅延が短い通信に対しては再送要求に対して即座に再送が実行できるよう優先度値の増加量を大きくする。なお、各待ち行列において再送の対象のなるＰＤＵは、待ち行列の先頭に格納され、送信スロットが割当てられた後に、増加していた優先度値が元に戻されるようになっている。
次に、移動局の受信状態を優先度に反映し、各通信の送信優先度を決定する方法について、図９〜図１１を用いて説明する。ここでは、説明を平易にするため、
許容遅延の短い通信Ａと、許容遅延の長い通信Ｂを考える。図９の（１）は、上りチャネルにおけるＣＩＲ（Carrier-to-Interference Ratio: 信号電力対干渉電力比）を示す図で、横軸に時間、縦軸にＣＩＲをとり、通信Ａと通信ＢのＣＩＲの変化を示す図である。
本実施形態では、まず、各通信（通信Ａ、通信Ｂ）に対して数値化された受信状態（ここでは、ＣＩＲを適用）に対して、以下の式により重み付けを施す。
Figure 0004335619
 上記式において、Ｑｉｎｓｔは瞬時の受信状態（ＣＩＲ）、Ｑａｖｇは平均の受信状態（ＣＩＲ）を表す。また、Ｑｗは閾値を表す。
ここで、許容遅延、再送要求の有無などによる優先度値が同一の値である通信を考えた場合、Ｑｗの値を小さな値に設定すれば、瞬時の受信状態Ｑｉｎｓｔが良好であるほど、優先度値の増加量が大きくなるため、平均的に受信状態が良好な送信先持つ通信ほど無線リソースの割当機会が増加する。図９の（２）は、その様子を示した図で、縦軸は優先度の増加量を表し、横軸は時間を表している。
反対に、Ｑｗの値を大きな値に設定すれば、平均の受信状態に対して瞬時の受信状態の比が大きいときに優先度値の増加量が大きくなるので、平均的に受信状態の悪い移動局宛の通信であっても、移動局の受信状態が比較的良好なときには優先度が大きくなる。すなわち、無線リソースの割当機会は移動局間でほぼ公平となる（図９の（３）参照）。
ところが、許容遅延が短い通信では、単位時間あたりに発生するデータ量が限られているため、リソースの割当の公平性を考慮する必要がない。そのため、小さなＱｗを設定し、瞬時の受信状態の良好な移動局宛の通信ほど優先的にリソースが割当てられるようにする。一方、許容遅延の長い通信に対しては、大きなＱｗを設定し、許容遅延の長い通信どうしでリソースの割当の機会を公平にする。
また、上記（１）式に基づいて、重み付けされた受信状態（ＣＩＲ）に対して、許容遅延や再送要求に基づいて決定した優先度値をもとにオフセットが加えられる。このことについて図１０及び図１１を参照しながら説明する。
図１０において、（１）は通信Ａの送信先移動局の受信状態（ＣＩＲ）を示す図で、要求される許容遅延が短い場合を表している。同図（２）は通信Ｂの送信先移動局の受信状態（ＣＩＲ）を示す図で、要求される許容遅延が長い場合を表している。上に示す両グラフとも瞬時値と平均値が示されている。
また、同図（３）は、通信Ａの送信先移動局における重み付け後の受信状態を示す図で、通信Ａに対して小さなＱｗが設定されている。同図（４）は、通信Ｂの送信先移動局における重み付け後の受信状態を示す図で、通信Ｂに対して、大きなＱｗが設定されている。この場合、通信ＢのＱｗが、通信Ｂの受信状態の平均値より大きく設定され、当該平均値のレベルとＱｗのレベル差がオフセット分となり、このオフセット分だけ上方に通信Ｂの受信状態を示す曲線がシフト（図中縦の矢印）する。ここで、同図（３）、（４）の「参照レベル」を、許容遅延に基づく各通信毎の優先度値とした場合、通信の許容遅延の違いによる優先度値の差、すなわち参照レベルの差Δ１が大きくなるように設定すれば、同図（５）が示すように、許容遅延の短い通信に対するリソース割当が完全に優先される。すなわち、送信スロット（＃１〜＃４）には、通信Ａが割り付けられる。
一方、図１１が示すように、通信の許容遅延の違いによる優先度値の差（ここでは、参照レベルの差Δ２に相当）を小さくした場合には、２番目の送信スロット（＃２）のように、通信Ａの許容遅延に基づく優先度が高い場合であっても、送信先の移動局の受信状態が悪ければ許容遅延は長くても受信状態の良好な他の移動局宛の送信が優先される。これにより、システム全体の送信効率を向上させることが可能となる。
図１０及び図１１を用いて説明した実施形態では、移動局の受信状態を受信ＣＩＲにて表す態様を例示したが、受信ＳＩＲや要求ＭＣＳ（Modulation and channel coding Scheme：データ変調方式やチャネル符号化率）等を受信状態の指標としてもよい。
上記実施形態では、各通信の送信優先度を移動局の受信状態を考慮して決定するという態様を例示したが、本発明は、これに限定されない。例えば、各通信の送信優先度をパケットが送出されてからの経過時間に基づいて決定してもよい。以下、この方法について、図１２及び図１３を参照して説明する。
本実施形態におけるパケットが送出されてからの経過時間に基づく優先度値は、各待ち行列の先頭に格納されているＰＤＵによって構成されるパケットが、送信元から送出されてからの経過時間に応じて決定される。 例えば、本実施形態では、図１２に示すように、各待ち行列の優先度値は、経過時間の増加により、以下の式に基づいて増加される。
図１２（ａ）は、下記式（８）による経過時間に基づく優先度値の増加分の時間変化を表しており、同図（ｂ）は、下記式（９）による経過時間に基づく優先度値の増加分の時間変化を表している。
Figure 0004335619
Figure 0004335619
 上記式において、
ｔ ：パケットの経過時間
Ｔｒｅｑ ：パケットの許容遅延
ＴＰｒｉ ：所定の定数
ａ ：所定の定数
を表している。
次に、一例として、上記式（８）に基づいて経過時間に応じた優先度値の制御を行った場合を図１３を用いて説明する。同図において、各通信（通信１〜通信Ｎ）の優先度値は、予め許容遅延に応じて与えられているとする。また、各通信の待ち行列の中で通信１の待ち行列が一番許容遅延の短いＰＤＵを持つ待ち行列であり、次いで通信２→通信Ｎの順に再送対象のＰＤＵに対する許容遅延が長くなっているものと仮定する。
本実施形態では、経過時間に応じた優先度値の増加は、許容遅延までの残り時間が所定の時間（Ｔｐｒｉ）を下回ることによって行われる。このときの優先度値の増加量は、許容遅延に応じて異なる値をとることができる。本実施例の場合、通信１、通信２、・・・通信Ｎに対し許容遅延に応じた送信優先度が決定され、その決定された送信優先度にしたがって再送対象のＰＤＵが送信スロットに割り付けられて送信される。
このように本実施形態によれば、経過時間に基づいて、送信優先度値を増加することにより、パケットロスを低減することが可能となる。
（変形例）
以上本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまでも例示であり、上記実施形態に対しては、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で様々な変形を加えることができる。例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上述した実施形態では、基地局１００の送信アンテナとして、一定のサービスエリアをカバーする広い指向性を持つアンテナを想定したが、送信アンテナとして、指向性を適応的に変化させることが可能なアダプティブアレーアンテナを適用することも可能である。図１４に、基地局１００にアダプティブアレーアンテナを適用した場合のブロック図を示す。本実施形態における基地局１００は、図１に示す基地局と基本的構成を同様とする。したがって、その構成要素には同列（末尾が同一）の符号を付し、その説明は省略すると共に、以下、図１４を参照して、図１に示す基地局１００との差異について詳述する。
本実施形態における基地局１００には、アダプティブアレーアンテナが具備される。このアダプティブアレーアンテナは、複数のアンテナ素子３１１〜３１ｎと、位相器２０と、アレーウェイト制御部１９から構成される。アレーウェイト制御部１９は、各アンテナ素子３１１〜３１ｎに対して方向などに対応するウェイトを生成し、位相器に出力する。位相器２０は、アレーウェイト制御部１９で生成されたウェイトにしたがってアンテナ素子３１１〜３１ｎの励振の振幅と位相を制御する。これにより、任意の方向に指向性を持たせることが可能となる。
続いて、基地局１００にアダプティブアレーアンテナを適用した本実施形態の動作について説明する。
図１４において、基地局１００のスケジューラ１７は移動局位置管理部１８から各通信の送信先移動局の位置情報を、また、アレーウェイト制御部１９から各移動局にメインビームを向けた場合の指向性利得の情報を取得し、各通信の送信先移動局と同時に送信可能な他の移動局数を算出し、その算出した結果に基づいて、各通信の優先度を増減する。
本実施形態のように基地局１００にアダプティブアレーアンテナが適用されている場合、待ち行列の送信先移動局と同時送信可能な移動局が存在するときは、その待ち行列に対する優先度を増加させる。
図１５は、指向性ビームによる複数同時送信によりパケットの送信先移動局と同時送信可能な他の移動局数を決定する決定方法を説明するための図である。同図（ａ）は複数の移動局に対する同時送信が可能となる条件を説明するための図を表し、同図（ｂ）は同時送信が不可能となる条件を説明するための図を表す。
まず、同図（ａ）に示す同時送信が可能となる条件について説明する。
パケットの送信先移動局に指向性ビームを向けた場合の指向性利得において、指向性利得が予め定められたしきい値以下となる方向に存在する他の送信先移動局のうち、これらの移動局に指向性ビームを向けたときの該パケットの送信先移動局の方向の指向性利得が、上記しきい値以下となる移動局数が基地局１００から同時送信可能な移動局数として選択される。
すなわち、本実施形態では、移動局（移動局Ａ４０、移動局Ｂ４１）に対してメインビームが向けられ（移動局Ａ４０に向けられているビームパターンは実線、移動局Ｂ４１に向けられているビームパターンは点線）、移動局Ａ４０のサイドローブのヌル（しきい値以下）が移動局Ｂ４１に向けられ、また、移動局Ｂ４１のサイドローブのヌル（しきい値）が移動局Ｂ４１に向けられる。この結果、基地局１００において同時送信可能な移動局は移動局Ａ４０、移動局Ｂ４１の２局となる。
一方、図１５の（ｂ）は、同時送信が不可能となる場合の例示で、指向性利得がしきい値以下となる方向に存在する移動局に対して指向性ビームを向けると、移動局Ｃ４２のメインビームと移動局Ｄ４３のメインビームが重なり合い同時送信が不可能となる。
なお、上述した同時送信可能な移動局数の決定は、基地局１００の移動局位置管理部１８においてなされ、送信先の移動局と同時送信可能な移動局数が多い待ち行列ほど、優先度値の増加分を大きくして管理する。このようにして優先度値を調整することにより、同時送信可能な移動局宛の待ち行列から優先的にデータの送信が行なわれるようになるため、システム全体のスループットを増大させることができる。
また、各待ち行列に対する優先度の決定に際しては、送信未完了ＰＤＵの元となるパケットが送信元から送出されてからの経過時間、および要求レートに対する待ち行列からの平均の送出レートを考慮することも可能である。なお、上記経過時間に関しては、経過時間の増加に応じて優先度値を増加する方法も考えられる。
さらに、要求レートに対して待ち行列からの平均の送出レートが下回る場合に、優先度値を増加する方法も考えられる。これにより、該当する待ち行列に対する送信割当が増加するため、送出レートの改善が可能である。
上述したように、基地局１００にアダプティブアレーアンテナが用いられる本実施形態によれば、複数の移動局数に対する同時送信が積極的に行なわれるようになるため、システム全体のスループットを増加させることが可能になる。
上記実施例において、スケジューラ１７の機能がパケット優先度設定手段、無線リソース割当決定手段、待ち行列優先度設定手段、待ち行列優先度制御手段に対応し、パケット選別部１１の機能が分類手段に対応し、待ち行列部１３が待ち行列形成手段、第１の待ち行列形成手段、第２の待ち行列形成手段に対応する。
本発明の実施の一形態に係るパケット優先制御方法が適用されるパケット優先制御装置の構成例を示すブロック図である。 複数の優先度要素を考慮して基地局に入力されたパケットの優先度を決定する本発明のパケット優先制御処理の概念を説明するための図である。 パケットデータを格納するための待ち行列をメモリ上に設定する通信開始時の基地局での処理手順を示すフローチャートである。 ネットワークから受信したパケットを適切な待ち行列に格納する通信中基地局での処理の流れを示すフローチャートである。 各通信に対する無線リソースの割当の優先度を決定する基地局での処理手順を示すフローチャートである。 各通信に対して無線リソースを割当てる際の、各パケットに対する優先度を決定する過程を説明するための図である。 許容遅延に基づいて優先度を決定する方法を示す図である。 再送要求に基づいて優先度を決定する方法を説明するための図である。 送信先移動局の受信状態に基づいて優先度を決定する方法を説明するための図（その１）である。 送信先移動局の受信状態に基づいて優先度を決定する方法を説明するための図（その２）である。 送信先移動局の受信状態に基づいて優先度を決定する方法を説明するための図（その３）である。 式（８）及び式（９）による経過時間に基づく優先度値の増加分の時間変化を示す図である。 式（８）に基づいて経過時間に応じた優先度値の制御を行った場合を示す図である。 本実施形態に係る基地局にアダプティブアレーアンテナを適用した場合のブロック図である。 図１４に示す基地局において、複数の移動局に対する同時送信が可能となる条件を説明するための図である。
符号の説明
１０ ヘッダ情報取得部
１１ パケット選別部
１２ ＰＤＵ分割部
１３ 待ち行列
１４ セレクタ
１５ チャネル符号化部
１６ 待ち行列管理部
１７ スケジューラ
１８ 移動局位置管理部
１９ アレーウェイト制御部
２０ 位相器
３０、３１１〜３１ｎ 送信アンテナ
４０〜４３ 移動局Ａ〜移動局Ｄ
１００ 基地局

Claims (5)

  1. 入力されるパケットに対して優先制御を行なうパケット優先制御装置であって、
    １つ以上の要素を用いて、当該パケット優先制御装置に入力されるパケットに対する優先度を階層的に設定するパケット優先度設定手段と、
    該パケット優先度設定手段により設定された優先度にしたがって、無線リソースを割当てるパケットを決定する無線リソース割当決定手段と、
    を有し、
    同一の階層は、同じ要素によって優先度の異なる複数のグループに分類され、該分類された各グループは、新たな要素を考慮する場合に、該新たな要素によって下位の層にてグループ化され、
    前記要素には、パケットの許容遅延、再送要求の有無、及び送信先の受信状態のいずれか１つが含まれることを特徴とするパケット優先制御装置。
  2. 請求項１記載のパケット優先制御装置であって、
    前記グループに属するパケットに対して、待ち行列を形成する待ち行列形成手段
    を有することを特徴とするパケット優先制御装置。
  3. 請求項２記載のパケット優先制御装置であって、
    前記待ち行列形成手段は、
    新たな要素を考慮しないグループに属するパケットに対して、１つの待ち行列を形成する第１の待ち行列形成手段と、
    新たな要素を考慮するグループに属するパケットに対して、送信先が同一のパケット同士で待ち行列を形成する第２の待ち行列形成手段と
    を有し、
    前記パケット優先度設定手段は、前記第２の待ち行列形成手段により形成される待ち行列に含まれるパケットの優先度として、該パケットに対して決定される優先度を設定し、
    該優先度は、別の要素を考慮して決定されることを特徴とするパケット優先制御装置。
  4. 請求項１記載のパケット優先制御装置であって、
    前記パケット優先度設定手段は、前記入力されるパケットの優先度を階層化する際に、最初にパケットの許容遅延を考慮することを特徴とするパケット優先制御装置。
  5. 入力されるパケットに対して優先制御を行なうパケット優先制御方法であって、
    １つ以上の要素を用いて、入力されるパケットに対する優先度を階層的に設定するパケット優先度設定ステップと、
    該パケット優先度設定ステップにより設定された優先度にしたがって、無線リソースを割当てるパケットを決定する無線リソース割当決定ステップと、
    を有し、
    前記パケット優先度設定ステップでは、同一の階層は、同じ要素によって優先度の異なる複数のグループに分類され、該分類された各グループは、新たな要素を考慮する場合に、該新たな要素によって下位の層にてグループ化され、
    前記要素には、パケットの許容遅延、再送要求の有無、及び送信先の受信状態のいずれか１つが含まれることを特徴とするパケット優先制御方法。
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