(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークにおいて用いられるネットワーク制御装置に実装される方法であって、
前記ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信すること、
前記物理層パラメータに基づいて許容可能なレート行列の組を算出すること、
前記許容可能なレート行列の組に基づき容量領域を算出すること、
算出された前記容量領域に基づいてＭＢＨ送信トポロジーを決定すること、および
前記ＭＢＨ送信トポロジーについての前記決定を前記ＭＢＨ送信機に送信すること、を含む方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、
前記１または複数の物理層パラメータは、信号対雑音比（ＳＮＲ）、光ＳＮＲ、送信機技術タイプ、送信プロトコルおよびトラフィック負荷の少なくとも１つを含む、方法。
【請求項３】
請求項１の方法において、
物理層の制約または計算複雑さ制限を考慮して、前記許容可能なレート行列の組を削ること、をさらに含む方法。
【請求項４】
請求項１の方法において、
前記ＭＢＨ送信トポロジーは、
【数１】
0005994021.tif 000021
により決定され、ここで、Ｒiは許容可能なレート行列を示し、｛Ｒi｝＝｛Ｒ1,…,Ｒi,…,ＲN｝は許容可能なレート行列の組を示し、Ｒは時分割スケジュールのレート行列である、方法。
【請求項５】
請求項１の方法において、
送信元ノードｉと送信先ノードｊとの間のデータレートを示すレート行列エントリーｒijは、送信元−送信先リンク上の信号対雑音比（ＳＮＲ）ξijの関数
【数２】
0005994021.tif 000022
として表現される、方法
【請求項６】
請求項５の方法において、
ｒijは、所与のＳＮＲξijに対して選択されたコーディングおよび変調スキームの下でのあるビットエラーレート（ＢＥＲ）を満たす最大のデータレートとして得られる、方法。
【請求項７】
請求項６の方法において、
前記所与のＳＮＲξijは、適用されるコーディング、適用される変調および信号雑音電力パラメータの少なくとも１つから計算される、方法。
【請求項８】
請求項５の方法において、前記関数は
【数３】
0005994021.tif 000023
として表現され、ここで、Ｗijは、送信元−送信先リンクの物理的なバンド幅である、方法。
【請求項９】
請求項５の方法において、
前記ＳＮＲは、マイクロ波リンクに対しては、
【数４】
0005994021.tif 000024
として表現される公式に基づいて計算され、ここで、Ｐiは、送信電力であり、Ｇijは、送信元ノードｉから送信先ノードｊへのチャネル利得係数であり、
【数５】
0005994021.tif 000025
は、加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）分散である、方法。
【請求項１０】
請求項５の方法において、
前記ＳＮＲは、直接無線周波数（ＲＦ）送信または自由空間光送信に対しては、
【数６】
0005994021.tif 000026
として表現される公式に基づいて計算され、ここで、ηは、加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）電力スペクトル密度を示し、Ｗは、バンド幅であり、Ｐは、送信電力であり、θijは、信号の一次元ビーム幅であり、ｄijは、送信元ノードｉと送信先ノードｊとの間のユークリッド距離であり、ｄ0は、パス損失パラメータαのどの影響が計算されるかに基づく参照距離であり、チャネル利得係数Ｇijは、フェージングまたはシャドウイングの影響を構成する、方法。
【請求項１１】
請求項５の方法において、
光ファイバリンクに対する前記ＳＮＲ（光ＳＮＲ、ＯＳＮＲ）は、
【数７】
0005994021.tif 000027
で表現される公式に基づいて計算され、ここで、ρ＝１，２はそれぞれ単一偏波および多重偏波光信号の場合であり、Ｒsはシンボルレートであり、ＢrefはＯＳＮＲ測定に対する参照バンド幅である、方法。
【請求項１２】
請求項１の方法において、
前記決定は、ＯｐｅｎＦｌｏｗ制御メッセージにより前記ＭＢＨ送信機に送信される、方法。
【請求項１３】
モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークにおいて用いられるネットワーク制御装置であって、
前記ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信する受信手段と、
前記物理層パラメータに基づいて許容可能なレート行列の組を算出する第１の算出手段と、
前記許容可能なレート行列の組に基づき容量領域を算出する第２の算出手段と、
算出された前記容量領域に基づいてＭＢＨ送信トポロジーを決定する決定手段と、
前記ＭＢＨ送信トポロジーについての前記決定を前記ＭＢＨ送信機に送信する送信手段と、を含むネットワーク制御装置。
【請求項１４】
モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークは、
ネットワーク制御装置と、
前記ネットワーク制御装置に接続されたＭＢＨ送信機と、を含み、
前記ネットワーク制御装置は、
前記ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信
し、
前記物理層パラメータに基づいて許容可能なレート行列の組を算出し、
前記許容可能なレート行列の組に基づき容量領域を算出し、
算出された前記容量領域に基づいてＭＢＨ送信トポロジーを決定し、
前記ＭＢＨ送信トポロジーについての前記決定を前記ＭＢＨ送信機に送信する、ＭＢＨネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、“Software-defined Throughput Optimization for Next-Generation Optical Mobile Backhaul”という名称の、２０１３年２月２０日に出願された米国仮出願第６１／７６６，９８１号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、モバイルバックホール（Ｍｏｂｉｌｅ  Ｂａｃｋｈａｕｌ：ＭＢＨ）トポロジーに関し、より具体的には、ＭＢＨ送信トポロジーの計画および／または最適化に関する。
【０００３】
スマートモバイル機器の大量の拡散のために、モバイルバックホール（ＭＢＨ）および多くの主要なグローバルオペレータのアクセスネットワークは、急速にほとんど一日単位で進化している。ＭＢＨ技術（例えば、２点間マイクロ波、銅、光学ファイバ）の不均質性、所与の技術（例えば、見通し対非見通し無線、自由空間光無線、２点間対受動光学ネットワーク（ＰＯＮ）ファイバなど）におけるトポロジー、および、全く異なるオペレータ特有のレガシーネットワークの投資および構成のために、新たに発生した高速ＭＢＨネットワークの最適化および将来の保証が、非常に難しい問題として浮上している。我々は、この問題を、ケースごと、オペレータごとにソフトウェアにより定義された方法で解決することができ、先験的なネットワーク計画ツールおよび事後的なネットワーク更新／最適化ツールの両方として機能することができる、物理層パラメータを含む適応性のあるデータレートの最適化問題に変換することで解こうと試みている。
【０００４】
従前の研究では、ランダムに分散したモバイルユーザを備えたネットワークにおける最適な無線アクセス基地局の配置が考慮され（文献１〜３）、無線アクセスポイントは、バックホールインフラに接続されていない、または、バックホールインフラに先験的に相互に接続されていると仮定されていた。しかしながら、バックホールインフラそれ自体の最適化は考慮されておらず、先験的に存在する、または、全く存在しないと単純にみなされていた。文献４では、後天的なバックホールインフラの最適化を議論する非常に理論的な研究（すなわち、モバイルユーザのトラフィックパターンおよび分散を学習した後のバックホールインフラの構築）、が示されているが、そのような最適化は行われておらず、さらに、理論的な研究は、具体的な物理層パラメータと関連していなかった。最新の研究（文献５）でも同様に、物理層パラメータは明確に考慮されていなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. Toumpis and A. J. Goldsmith, "Capacity regions for wireless ad hoc networks," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 2, pp. 189-205, July 2003.
【０００６】
【非特許文献２】M. Franceschetti, O. Dousse, D. Tse, and P. Thiran, "Closing the gap in the capacity of wireless networks via percolation theory," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 53, pp. 1009-1018, March 2007.
【０００７】
【非特許文献３】P. Li, C. Zhang, and Y. Fang, "Capacity and delay of hybrid wireless broadband access networks," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 27, no. 2, pp. 117-125, Feb. 2009.
【０００８】
【非特許文献４】A. Reznik, S. R. Kulkarni, and S. Verdu, "A small world approach toheterogeneous networks," Commun. Inf. Systems, vol. 3, pp. 325-348, September 2003.
【０００９】
【非特許文献５】M. Xia, Y. Owada, M. Inoue, H. Harai, "Optical and Wireless Hybrid Access Networks: Design and Optimization," OSA Jnl. Opt. Commun. Netw. (JOCN), vol. 4, no. 10, Oct. 2012.
【００１０】
【非特許文献６】N. Yoshimoto, "Next-Generation Access for Mobile Backhaul Application," Proc. The 17th OptoElectronics and Communications Conference (OECC 2012), paper 6A1-1.
【００１１】
【非特許文献７】N. Cvijetic, A. Tanaka, M. Cvijetic, Yue-Kai Huang, E. Ip, Y. Shao, and T. Wang, "Novel Optical Access and Digital Processing Architectures for Future Mobile Backhaul," J. Lightwave TechnoL, vol. 31, No. 4, pp. 621-627, Feb. 2013.
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、新たに発生した高速ＭＢＨネットワークの最適化および将来の保証の問題を解決することである。
【００１３】
本発明の一態様は、モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークで使用されるネットワーク制御装置に実装される方法を含む。本方法は、ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信すること、許容可能なレート行列の組を計算すること、許容可能なレート行列の組に基づいて容量領域を計算すること、ＭＢＨ送信トポロジーを決定すること、および、決定をＭＢＨ送信機に送信することを含む。
【００１４】
本発明の別の態様は、モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークで使用されるネットワーク制御装置を含む。ネットワーク制御装置は、ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信する受信手段と、許容可能なレート行列の組を計算する第１の計算手段と、許容可能なレート行列の組に基づいて容量領域を計算する第２の計算手段と、ＭＢＨ送信トポロジーを決定する決定手段と、決定をＭＢＨ送信機に送信する送信手段とを含む。
【００１５】
本発明のさらに別の態様は、ネットワーク制御装置と、ネットワーク制御装置に接続されたＭＢＨ送信機とからなるモバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークを含み、ネットワーク制御装置は、ＭＢＨネットワーク内のＭＢＨ送信機から１または複数の物理層パラメータを受信し、許容可能なレート行列の組を計算し、許容可能なレート行列の組に基づいて容量領域を計算し、ＭＢＨ送信トポロジーを決定し、決定をＭＢＨ送信機に送信する。
【００１６】
ここでの手段は、例えば、ソフトウェア、コンピュータプログラム、電子デバイス、コンピュータおよび／または専用の制御装置といった、１または複数の様々な種類の構成要素から構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】の（ａ）は、ソフトウェアで定義されたＭＢＨネットワーク最適化アーキテクチャを表現し、（ｂ）および（ｃ）は、２つの可能性のある最適化されたトポロジーの選択肢を表示している。ＳＤは「ソフトウェアで定義された」であり、ＭＳは移動局であり、Ｔｘは送信機であり、Ｒｘは受信機である。
【図２】は、ソフトウェアで定義されたネットワーク最適化装置（１００）の詳細な機能ブロック図を表現している。
【図３】は、光ＭＢＨのためのＳＤスループット最適化アーキテクチャを表現している。
【図４】は、セル毎のスループットレートｒｍａｘ対バンド幅Ｗｉｊ（ＭＨｚ）を表現し、ケース１は、集約前＝無指向性無線、集約＝２点間無線（θij＝θji＝３０°）であり、ケース２は、集約前＝２点間無線（θij＝θji＝３０°）、集約＝２点間無線（θij＝θji＝１５°）であり、ケース３は、集約前＝２点間無線（θij＝θji＝３０°）、集約＝１Ｇｂ／ｓファイバであり、ケース４は、集約前＝２点間無線（θij＝θji＝３０°）、集約＝２．５Ｇｂ／ｓファイバであり、ケース５は、集約前＝２点間無線（θij＝θji＝３０°）、集約＝１０Ｇｂ／ｓファイバであり、ケース６は、集約前＝２点間無線（θij＝θji＝１５°）、集約＝２．５Ｇｂ／ｓファイバである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
従前の研究と異なり、有限の多くのネットワークノードを備え、また無線（マイクロ波無線および自由空間光無線）および有線（例えば、ファイバ）リンクの両方を含む典型的なＭＢＨ配置に関連する物理パラメータを含む、実際のケースに対して問題が解決される。具体的には、ＭＢＨネットワーク計画問題は、適用される送信プロトコルに対してネットワークの達成可能な容量領域および／または不変容量が計算される線形最適化問題として定義される。そのような最適化フレームワークは、ＭＢＨネットワーク計画に物理層パラメータを直接含めることを可能とし、さらに、幅広い実際のケースをカバーするのに十分に一般的な適応性を備えたままである。それは、配置前のＭＢＨネットワークトポロジーを計画し、既存のネットワークを最適化および更新することと、実際のシステムの将来の保証のためのデータレートのスケーリングの洞察を得ることとの両方のためのソフトウェアで定義された方法を提供する。
【００１９】
ソリューションは、異質のＭＢＨネットワークトポロジーの計算的に高効率で、物理的に正確で、ソフトウェアで再構成可能な決定を可能とし、そのネットワークトポロジーは、全ての可能性のある許容可能なトポロジーの組み合わせの中で、ネットワークでの最大のバックホールデータレートを可能とする。従来技術は、全ての無線ソリューションおよびバックホールトポロジーの最適化の無視、および／または要約された物理層の特徴を有する、よく考えられた非常に理論的なケースに焦点を当てている。ＳＤ動作は、データレート最大化問題に関連する物理層パラメータを直接包含することで手近にネットワークシナリオに合わせて容易にカスタマイズすることができる、コスト効率の高い、柔軟なネットワーク計画、最適化および更新を可能とすることができる。
【００２０】
ＳＤ  ＭＢＨネットワークアーキテクチャ最適化アプローチは、図１（ａ）で説明され、アプローチのコアは、ＳＤ  ＭＢＨネットワーク最適化装置（１００）または制御装置であり、ＭＢＨネットワーク、すなわち、図１（ａ）のＭＢＨトランシーバ（送信機（Ｔｘ）／受信機（Ｒｘ））（３００）−（７００）が、ＭＢＨ送信機（Ｔｘ）／受信機（Ｒｘ）の動作（例えば、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ））を支配する基本的な送信プロトコルの一定のセットが与えられ、図１（ａ）において（８００）−（８１０）で示される一組の移動局（ＭＳ）、すなわち、ユーザに配送することができるデータレートを最大化するためにネットワークアーキテクチャを計画および最適化するのに用いられるソフトウェアで定義されたアルゴリズムを含む。ＭＢＨ送信機（Ｔｘ）／受信機（Ｒｘ）（３００）−（７００）それぞれの物理層の詳細に関する情報およびＳＤ  ＭＢＨネットワーク制御装置（１００）の決定結果は、例えば、ＯｐｅｎＦｌｏｗプロトコル（２００）を用いた一般的な並行制御メッセージング（２０１）により、離れたＭＢＨトランシーバ（送信機（Ｔｘ）／受信機（Ｒｘ））（３００）−（７００）とやり取りされる。ＳＤ  ＭＢＨネットワーク最適化装置によって取り扱われるポイントは、ＭＢＨ送信機（Ｔｘ）／受信機（Ｒｘ）を相互に接続させるＭＢＨリンクの種類（例えば、ファイバー対２点間のマイクロ波）によって、２人のユーザ、例えば、移動局（８００）と移動局（８１０）との間のＭＢＨデータレートを最大化するために、異なるルートが選択されるかもしれないということである。これは図１（ｂ）および図１（ｃ）で説明され、ここで、太実線矢印は、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）とＭＢＨ送信機／受信機（３００）との間の活性化したＯｐｅｎＦｌｏｗ制御メッセージング（２０１）を示し、点線矢印は、特定の物理層の状態と送信プロトコル要求とに基づいてＳＤネットワーク最適化装置（１００）によって手近に決定された、移動局（８００）と移動局（８１０）との間のデータレートを最大化するために選択されたＭＢＨ送信トポロジーを示す。注目すべきは、図１（ｂ）および図１（ｃ）の両方の選択肢はそれぞれ、送信元および送信先の移動局（８００），（８１０）の間にそれぞれ４つのホップを含んでいることであり、ネットワークの物理層の異質の特徴を判別するための一般的な最短パスアルゴリズムでは不能であることを強調している。これに加えて、ネットワークの物理層の詳細を説明する点では、移動局の送信元と送信先とのペアの間のＭＢＨデータレートを最大化することで、ＳＤ制御装置はまた、以下のネットワークの計画、最適化および更新問題に対して答えるために用いられる。
【００２１】
ネットワーク内に有線（例えば、ファイバ）リンクが存在しなければ、これらはどこに配置すべきであるか？ファイバリンクが存在すれば、それらは最大限に効率的な方法で使用されているのか？そうでなければ、どのルート／アプローチがより効率的であるか（例えば、より高いバックホールデータレートをもたらすか）？
【００２２】
あるレガシーネットワークトポロジーを所与として、ユーザ間でサポートされたバックホールデータレートを増加させるためのＭＢＨトラフィックのルートを決めるより適した方法はあるか？
【００２３】
また、注目すべきことは、上記の第２の問題を取り扱うことによって、このアプローチでは、（１００）によって選択されたＭＢＨ送信トポロジーは、物理層上で、移動局（８００）−（８１０）のトラフィックの要求およびパターンの変化につれて変化することが許容されることであり、適応的指向性および空間的方位を有する２点間マイクロ波リンクあるいは自由空間光リンクによってサポートされ得る。有線リンク（例えば、ファイバ）に対しては、有線リンクのサブセットがトポロジー再最適化から除外される（例えば、そのようなシナリオに対応するレート行列は、以下で概要を説明する容量領域の計算（これは、最適なＭＢＨ送信トポロジーを決定するための計算である）から除外される）ように、変化するネットワーク状態に適応するためのトポロジーモーフィングは実行されない。最後に注目すべきことは、図１（ａ）で説明したケースはＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）の間に固定された先験的なリンクが存在しない、すなわち、これらは全て、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）の決定に従い構成される、最も柔軟で一般的なシナリオを想定したが、このシナリオは、レガシーリンクがある、普遍性が欠如したシナリオでは、簡単に上述し、以下で説明および示されるように、ネットワークに対する許容可能なレート行列の組を単に抑制することで、簡単に制約され得る。
【００２４】
図１は、ＳＤ  ＭＢＨネットワーク最適化装置（１００）を示し、物理層リンクパラメータおよび送信プロトコルの組が与えられた基本的なネットワークの容量領域を計算することによって動作する。具体的には、ネットワークの容量領域は、ある時点でのネットワーク活動についての全ての必要な情報をキャプチャした一組のレート行列を用いて定義される。それぞれのレート行列は、どのノードがだれのデータをどのレートで送受信しているかを特定する基本的な送信スキームの関数である。表記法（ｉ，ｋ，ｊ）は、これを簡潔に表現し、ここで、（ｉ）は送信元を示し、（ｋ）は中継装置を示し、（ｊ）は送信先をそれぞれ示す。
【００２５】
ｎノードのネットワークおよび送信スキームＳが所与であるとし、ここで、Ｓは、ある時点でのネットワーク内の異なるノードの間の情報フローの完全な記述（すわなち、ある瞬間に動作中の送信−受信ノードのペアおよびその送信レート）と定義され、レート行列Ｒ（Ｓ）は、データレートエントリーｒijによってポピュレートされるｎ×ｎ行列であり、ｊがｉからレートｒijで情報を受信すれば、ｒij＝ｒijとなり、ｊがｉにレートｒijで情報を送信すれば、ｒij＝−ｒijとなり、その他の場合は、ｒij＝０となる。
【００２６】
さらに、経時的なＭＢＨトラフィックの変動を考慮するために、異なるトラフィック要求による活性ノードペアの変化につれて、異なる送信スキームの下でネットワークが動作すると仮定する。そのような経時的な漸進的変化は、部分長ａiのスロットに体系化することができ、ここでａi≧０であり、
【数１】
0005994021.tif 000002
である。結果として生じるネットワークの時分割スケジュールは、
【数２】
0005994021.tif 000003
で与えられる。それぞれの送信スキームＳiは、レート行列Ｒ（Ｓ）に対応しているので、時分割スケジュールのレート行列は、
【数３】
0005994021.tif 000004
で与えられる。
【００２７】
したがって、ネットワーク全体の時分割行列Ｒ（Ｔ）を定義する許容可能なレート行列Ｒiの重み付けられた集合体、究極的には、ネットワークの容量領域である。数学的に、もし、
【００２８】
｛Ｒ1,…,Ｒk｝が許容可能なレート行列の組を示すとすると、ネットワークの容量領域は、
【数４】
0005994021.tif 000005
として定義される。
【００２９】
ここで、Ｃｏ（｛Ｒi｝）が許容可能なレート行列｛Ｒi｝の組の凸包を示す。許容可能なという語は、全てのレート行列は、与えられた送信プロトコルに従わなければならないことを示すために意図的に用いられている。例えば、ある送信プロトコルは、単一ホップルーティングだけを許容し、全ての干渉をノイズとして取扱い、一方、他はマルチホップルーティングを許容し、逐次干渉除去を用いてもよい。許容可能なレート行列のプールを決定することで、送信プロトコルは直接的に、容量領域の形状を支配し、このようにして、直接的に、具体的なネットワークトポロジー、物理層パラペータおよび適用される送信プロトコルと結び付けられる。ネットワークはｎ個のノードを有し、それぞれは（ｎ−１）個の可能性のある送信先を有するため、容量領域の次元は、ｎ×（ｎ−１）の大きさとなる。視覚化の容易のために、可能性のあるｎ個のノードのうち２つがアクティブであるときのＣの二次元のスライスが計算されてもよい。代わりに、ｎ×（ｎ−１）の全ての通信ペアが時分割ルーティングおよび所与の送信プロトコルの下でサポートすることができる最大の送信レートに対応する、不変容量メトリックＣu＝ｒmaxｎ×（ｎ−１）が計算されてもよい。さらに、ｎノードのネットワークに対するレート行列は、長さｎ（ｎ−１）のベクトルと同一の構造を有するので、計算上の形状の問題は、以下のようなＮ−１のユークリッド空間における最適化問題として線形プログラミングによって解くこともできる。
【数５】
0005994021.tif 000006
【００３０】
（Ｃ）の線形問題を繰り返して解くことで、動作の最適なネットワークモード（例えば、ＭＢＨ送信トポロジー）に対応する、容量領域の頂点が決定される。しかしながら、正式に（Ｃ）を解くためには、全ての許容可能なレート行列の組が最初に計算されなければならず、それは、ノード数ｎによって非常に急速に増加する。そこで、全てのレート行列が容量領域に寄与するわけではないと認識し、容量領域の大部分を正確に再現する、許容可能なレート行列のより小さな部分集合を構成することで、十分な速度ゲインが得られる。固定された先験的なＭＢＨリンクが既に存在するケースは、上述したように、この単純化のもっともな例である。
【００３１】
最後に、物理層パラメータを伴うＭＢＨ送信トポロジー最適化を説明するために、送信元ノード（ｉ）と送信先ノード（ｊ）との間のデータレートを示すレート行列エントリーｒijが、送信元と送信先との間のリンクにおける有効信号対雑音比（ＳＮＲ）ξijの関数として定義され、換言すれば、ｒij＝ｆ（ξij）として定義され、ここで、ξijの計算および関数ｆ（ξij）の選択は、適用される物理層の技術（例えば、マイクロ波送信対自由空間光送信対ファイバ送信）および所望されるデータレート基準の両方に従って異なる。例えば、ｒijは、所与のＳＮＲξijに対して選択されたコーディング／変調スキームの下でのビットレート（ＢＥＲ）要求を満たす最大のデータレートとして得られ、適用されるコーディング、変調および信号雑音電力のパラメータによって算出される。加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）チャネルでは、それは全てのＭＢＨ物理層技術に対して最も一般的なケースであり、ガウシアンＱ関数に基づく閉形式の表現がｆ（ξij）に対して用いられてもよい。これから、変調、検出およびコーディングのような物理層技術を用いたξijの改善がもたらされ、その結果、最大リンク送信レートだけでなく、ネットワーク全体の達成可能なレートおよび接続性を改善する。最も理想的なケースでは、ｆ（ξij）はリンクのシャノン容量と等しいとすることができ、ＡＷＧＮチャネルでは、
【数６】
0005994021.tif 000007
で与えられ、（Ｄ）において、ξijはリンクのＳＮＲであり、Ｗijはリンクの物理的なハンド幅である。上述したように、適用される物理層技術によって、リンクのＳＮＲは専用の方法により計算され、重要な物理層の詳細をトポロジー計画および最適化問題に組み込む。例えば、マイクロ波リンクでは、ξijは、
【数７】
0005994021.tif 000008
として計算され、（Ｅ）において、Ｐiは、送信電力であり、Ｇijは送信元（ｉ）から送信先（ｊ）へのチャネル利得係数であり、
【数８】
0005994021.tif 000009
はＡＷＧＮ分散であり、（Ｅ）の分母の第２項は、ノイズとして取り扱われるリンク上のマイクロ波干渉を構成する。指向性無線あるいは自由空間光通信に対しては、ξijは、
【数９】
0005994021.tif 000010
として計算され、（Ｆ）において、ηはＡＷＧＮ電力スペクトル密度を示し、Ｗはバンド幅であり、Ｐは送信電力であり、θijは信号の一次元ビーム幅であり、ｄijは送信元と送信先との間のユークリッド距離であり、ｄ0はパス損失係数αのどの影響が計算されたかに基づく参照距離であり、チャネルゲイン係数Ｇijはフェージングあるいはシャドウイングの影響を構成する。最後に、光ファイバリンク上でのｒijの計算に対しては、ＳＮＲおよび光学ＳＮＲ（ＯＳＮＲ）は、
【数１０】
0005994021.tif 000011
として取り扱われ、（Ｇ）において、ρ＝１，２はそれぞれ単一偏波および多重偏波光信号の場合であり、Ｒsはシンボルレートであり、ＢrefはＯＳＮＲ測定（通常、１２．５ＧＨｚとみなされる）に対する参照バンド幅である。
【００３２】
それぞれの許容可能なレート行列におけるｒijエントリーの計算のために（Ｄ）−（Ｇ）を用い、（Ａ）−（Ｃ）を解くためにレート行列を線形最適化ルーティンに代入することによって、ＳＤ  ＭＢＨネットワーク最適化装置（１００）は、最大のバックホールデータレートをサポートするＭＢＨ送信トポロジーを計算し、ネットワーク全体での全てのＭＢＨリンクの物理層の詳細を包含する方法で、柔軟でソフトウェアで再構成可能なネットワークの計画および最適化を可能とする。最後に、実験的にξijの測定が可能なケースでは、これらは（Ｄ）−（Ｇ）によって与えられる分析値の代わりに、ｒijの計算に用いられてもよい。
【００３３】
図２は、アーキテクチャの動作原理を説明する。図２は、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）と、図１において（３００）−（７００）で示される、ＭＢＨ送信機／受信機との通信を示しており、モバイルユーザ、例えば、図１における移動局（８００）−（８１０）は、ＭＢＨ送信トポロジー最適化の管理の単純化と容易化のためにエンドユーザから切り離されるように、このプロセスに関与していないことに注意すべきである。図２に示すように、ＳＤ  ネットワーク最適化装置（１００）は最初に、例えば、ＯｐｅｎＦｌｏｗインタフェース（２００）を介して実装される、一般的な制御メッセージング（２０１）を交換することによって、ＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）から必要な物理層データを収集する（１０１）。収集された物理層パラメータは、送信機／受信機の技術タイプ、リンクのＳＮＲ／ＯＳＮＲ、適用されるネットワーク送信プロトコル、トラフィック負荷（例えば、それぞれのＭＢＨ送信機／受信機を指定した移動局およびデータレート要求の数）などを含むが、これらに限られない。（１０１）で蓄積された物理層の情報に基づいて、ネットワーク最適化装置（１００）は、容量領域および／または不変容量の計算に用いられる許容可能なレート行列の組を計算する（１０２）。ネットワークの制約（例えば、固定リンクおよび／または計算上の複雑さの制限）を考慮するために、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）はまた、許容可能なレート行列の組をより小さいサブセットに削ることができる（１０３）。（１０３）の結果に基づき、ネットワークのバックホールデータレートを最大化するＭＢＨ送信トポロジーを決定するために、（Ａ）−（Ｃ）で要約された線形最適化により容量計算が行われる（１０４）。最後に、ＭＢＨ送信トポロジーの結果が、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）によって、一般的な制御メッセージング（２０１）を介して、ＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）に伝えられる。（１００）の決定を実装するために、ＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）は、要求された物理層パラメータ（３０１）をローカルで調整し、例えば、ＯｐｅｎＦｌｏｗ（２００）で用いられている一般的な制御メッセージング（２０１）を介して、修正の結果および新たな動作パラメータをＳＤ最適化装置（１００）に確認する。そして、更新された物理層の値は、例えば、ネットワーク更新および／またはネットワーク変更による要求に応じたＳＤ最適化装置（１００）によるトポロジーの再最適化に使用される。
【００３４】
ソフトウェアで定義された集中型の制御装置（１００）と離れたＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）との双方向の通信および管理は、図２の（１０１）−（１０４）により与えられる一連の動作を含む。ネットワークＭＢＨ送信機／受信機（３００）−（７００）の物理層の詳細を蓄積し、利用することによって、ＳＤネットワーク最適化装置（１００）は、全ての可能性のある許容可能なトポロジーの組み合わせのなかから、ネットワークにおける最高のバックホールデータレートを可能とするＭＢＨ送信トポロジーを計算することができる。これは、図２における（１０１）−（１０４）の専用の線形最適化の定式化により行われ、それによりネットワークの容量領域および／または不変領域が正確に計算される。従来技術は、単なる無線ソリューションおよび抽象化された物理層の特性を伴う高度に理論化されたケースの一方しか着目していなかった。さらに、図２の（１０１）−（１０４）のＳＤネットワーク最適化によって、物理層の正確さをサポートし、異種の物理層ＭＢＨ技術およびアーキテクチャの任意の混合体を提供するために十分に適用可能な、ソフトウェアで再構成可能な方法で専用のネットワーク計画および最適化を可能とする。
【００３５】
機能ブロック（１０１）−（１０４）は、図２のＳＤネットワーク最適化装置（１００）の動作を可能とする。これらの特徴は、全ての可能性のある許容可能なトポロジーの組み合わせのなかから、ネットワークにおける最大のバックホールデータレートを可能とするＭＢＨネットワークトポロジーの、効率的、正確かつソフトウェアで再構成可能な計算を可能とする。従来技術は、全ての無線ソリューションと無視されたバックホールトポロジーの最適化および／または抽象化された物理層の特徴を伴う高度に理論化されたケースの一方しか着目していなかった。ＳＤ処理は、関連する物理層パラメータをデータレート最適化問題に直積的に包含することで、ネットワークシナリオに合わせて直接的にカスタマイズすることができる、高コスト効率で柔軟なＭＢＨネットワークの計画、最適化および更新を可能とする。
【００３６】
さらなるシステムの詳細
【００３７】
我々は、次世代モバイルバックホール（ＭＢＨ）ネットワークにおける動的で、物理層を考慮したスループットの最大化のためのソフトウェアで定義されたアルゴリズムを提案する。結果は、レガシーセルサイトにおいて適用された２．５Ｇｂ／ｓ以上の光バックホールを伴う末端間のセル毎のスループットが１００Ｍｂ／ｓよりも大きいことを裏付けている。
【００３８】
１．導入
【００３９】
４Ｇおよびそれを超えるモバイル技術の急速な普及は、モバイルバックホール（ＭＢＨ）およびアクセスネットワークを劇的に変化させている（文献６，７）。高密度な小型セルの配置は、レガシーラストマイルＭＢＨセグメントを、１ダースあるいはそれ以上の小型セルに対する集約点となるレガシーマクロセルサイトを伴う、集約前ネットワークに変換する。さらに、ファイバ光ＭＢＨは、二点間無線バックホール、特に、非常に高密度な集約サイト（例えば、レガシーマクロセル）に対する非常に魅力的な補完物として浮上している。異質の二点間無線および光ＭＢＨネットワークのスループットを最大化することは、重要な技術的および経済的な課題である。第１に、もしファイバリンクが既に存在すれば、それらは最大限の効率で使用されているか？第２に、ＭＢＨネットワークに追加の光リンクを追加する必要があるなら、スループットを最大化するためには、これらをどこに配置すべきか？レガシーネットワークに対する従前の研究（文献１，３，５）では、ランダムに配置されたモバイルユーザに対する最適セルサイトの配置によるスループット最適化が考慮されているが、セルサイトの相互接続（例えば、ＭＢＨ構造）の最適化は分析されていない。この論文では、我々は、セル毎の末端間のスループットｒmaxを最大化し、リンクごとのボトルネックを特定し、ボトルネックリンクを更新することで生じるｒmaxゲインを評価するために、物理層ＭＢＨ送信トポロジー（二点間無線および光リンクの両方を含むことができる）の広範な情報を使用するソフトウェアで定義された（ＳＤ）ＭＢＨスループット最適化アルゴリズムの導入および評価を行った。そのアルゴリズムは、異質の光／無線ラストマイル小型セルバックホールネットワークに対して評価され、レガシーマクロセルサイトにおいて、２．５Ｇｂ／ｓファイバリンクを伴う４Ｇ  ＬＴＥ互換のセル毎のｒmaxが１４１．１Ｍｂ／ｓであることを確認した。したがって、その方法は、光ＭＢＨ計画／最適化に魅力的である。
【００４０】
２．ソフトウェアで定義された（ＳＤ）光ＭＢＨスループット最適化アルゴリズム
【００４１】
図３に示すように、ＳＤアルゴリズムは、レガシー（マクロ）サイトおよび新たな（小型セル）サイトの両方からなる進化したＭＢＨネットワークにおけるスループットを最適化しようとする。具体的には、ｎノードのＭＢＨネットワーク、および、一般的なプロトコル（例えば、ＯｐｅｎＦｌｏｗ、図３におけるブロック１）により伝えられた、物理層リンクパラメータ（図３におけるブロック３）の広範な情報が所与であるとすると、ＳＤアルゴリズムは、ｎ／２全ての通信ペアの間の最大の達成可能なスループットレートｒmaxを計算（図３におけるブロック２）し、ここで、公平性のために、全てのペアに対して同じｒmaxが要求される。（ｒmaxに基づき、集約されたネットワークスループットは、ｒmax×ｎ／２として容易に計算される）図３のブロック１，２，３に示すように、ｒmaxの最適値は、ネットワークにおける物理リンクごとのレートおよびＭＢＨデータフローの最適なスケジューリング／ルーティングに依存している。パラメータをスループット最適化問題に変換するために、我々は、ｎノードのネットワークに対して、レート行列Ｒの組を定義し、ここで、それぞれのＲは、物理リンクごとのデータレートｒijによってポピュレートされるｎ×ｎ行列であり、ノードｊがノードｉからレートｒijで情報を受信すれば、ｒij＝ｒijとなり、ｊがｉにレートｒijで情報を送信すれば、ｒij＝−ｒijとなり、その他の場合は、ｒij＝０となる。したがって、ある時点Ｔ＝ｔにおいて、対応するレート行列Ｒ（ｔ）は、ネットワークにおける全てのデータフロー情報を含む。そして、データ行列エントリーｒijは、それぞれのＭＢＨリンクの有効信号対雑音比（ＳＮＲ）ξijに基づいて計算することができる。理想的なＡＷＧＮチャネルでは、
【数１１】
0005994021.tif 000012
であり、ここで、ξijはリンクのＳＮＲを示し、Ｗijは物理的なバンド幅である。非理想的な無線ＭＢＨリンクに対しては、ξijは、
【数１２】
0005994021.tif 000013
として計算され、ここで、Ｐiは送信電力であり、Ｇijはチャネル利得係数であり、
【数１３】
0005994021.tif 000014
はＡＷＧＮノイズ分散であり、分母の第２項は、ノイズとして取り扱われる干渉を構成する（文献１）。二点間無線リンクでは、ξijは、
【数１４】
0005994021.tif 000015
として計算され、ここで、θijおよびθjiは一次元アンテナビーム幅であり、ｄijはノードｉとｊとの間のユークリッド距離であり、ｄ0は自由空間パス損失係数αのどの影響が計算されるかに基づく参照距離である（文献１）。最後に、光ファイバリンク上でのｒijに対しては、ＳＮＲおよび光学ＳＮＲ（ＯＳＮＲ）は、
【数１５】
0005994021.tif 000016
として取り扱われ、ここで、ρ＝１，２はそれぞれ単一偏波および多重偏波光信号の場合であり、Ｒsはシンボルレートであり、ＢrefはＯＳＮＲ参照バンド幅である。そして、時間Ｔの変化に伴うＭＢＨトラフィックの変動を説明し、スケジューリング／ルーティングを動的に最適化するために、漸進的変化は、部分タイムスロット
【数１６】
0005994021.tif 000017
によりモデル化され、ここで、Ｎはスロットの数を示す。動的ネットワークのレート行列ＲDNは、
【数１７】
0005994021.tif 000018
で与えられ、ここで、（４）におけるＲkはそれぞれ、（１）−（３）の物理リンクごとのレートｒijによってポピュレートされる。そして、最適なＲDNは、スケジュール｛ｔk, ｋ＝１, …,Ｎ｝を計算することにより見いだされ、ネットワークにおける全ての通信ペアの間で最大の有効スループットレートｒmaxを可能とする。数学的には、ｎノードネットワークに対して、（４）におけるＲDNの次元は、長さｎ（ｎ−ａ）のベクトルと同一の構造を有するので、（４）は、Ｎ−１ユークリッド空間における線形最適化問題として以下のように解かれてもよい。
【数１８】
0005994021.tif 000019
【００４２】
そして、（５）の結果は、全体のスループットを最大化するトラフィックのルーティング／スケジューリングの決定を行い、また、ネットワークボトルネック（例えば、より長いスケジューリングスロットｔkを必要とするリンク／ホップ）を特定し、ファイバ接続へのセルサイトＭＢＨ更新のスループットの影響を評価するために、ＳＤ  ＭＢＨ制御装置（図３）により利用され得る。さらに、そのような最適化は、ソフトウェアで再構成可能な方法でも実行されることができ、トラフィック要求およびパターンのリアルタイムの変化を説明する。
【００４３】
３．ＳＤ  ＭＢＨスループット最適化の結果および分析
【００４４】
ＳＤスループット最大化アルゴリズムを、約３．７５ｋｍ2上にｎ＝２０ノードがランダムに配置されて形成された、図４の差し込み図のＭＢＨネットワーク上で評価した。
【００４５】
１．５ｍｉ2（例えば、ラストマイル）の長方形のエリアおよびｎ／２＝１０の送信元−送信先のペアが描かれている。図４の差し込み図に示すように、黒四角はそれぞれ、新しい小型セル（「集約前」）サイトを示し、一方、薄い円はそれぞれ、すでにレガシー二点間無線バックホールを特徴付け、潜在的にファイバ接続への更新を必要とする、同一場所に配置されたレガシーマクロ／小型セル（「集約」）サイトを示す。換言すれば、他のセルとの間でトラフィックを生じさせ、また、他のセルとの間でトラフィックを送受しなければならない、両方のレガシーサイトに対して、ＳＤアルゴリズムは、光ファイバへのＭＢＨリンクの更新のスループットへの影響を評価しようとする。図４のそれぞれのターゲットＭＢＨケース１〜２に対するｒmaxを計算するために、図４の差し込み図のネットワークに対する全てのリンクごとのレートｒijが最初に、（１）−（３）に基づいて計算され、ここで、特に断りの無い限り、Ｐi＝０．１Wattであり、ｄijは図４の差し込み図の形状から求められ、ｄ0＝７０ｍであり、
【数１９】
0005994021.tif 000020
であり、ρ＝１であり、Ｂref＝１２．５ＧＨｚである。（４）−（５）のレート行列公式を用いてｒmaxを計算するために、ＭＡＴＬＡＢに線形最適化ルーティンが実装され、セル毎の最大スループットｒmax対無線ＭＢＨバンド幅Ｗij（ＭＨｚ）が図４にプロットされている。図４に示すように、全てのケースで、深刻なローカルのＭＢＨボトルネックを作り出し、ファイバ接続であるにも関わらずｒmaxを２０Ｍｂ／ｓ以下に制限する低いＷijは、このパラメータの重要性を強調している。また、図４に示すように、レガシーサイトの１Ｇｂ／ｓファイババックホールへの更新（ケース３）は、全ての無線ＭＢＨシナリオ（ケース１および２）と比較してｒmaxを改善したが、レガシーサイトの２．５Ｇｂ／ｓファイバリンク（ケース４）への追加の更新は、ボトルネックのルーティング／スケジューリングの緩和を必要とし、４Ｇ  ＬＴＥのデータレートに相当するｒmax＝１００Ｍｂ／ｓを可能とする。我々は、この数学上の最適化の結果（例えば、ラストマイルシナリオにおけるｎ＝２０セルに対する２．５Ｇｂ／ｓのファイバ光バックホールレート）は、従前の研究およびｎが約２００のセルのラストマイルバックホールに対する２４−２５Ｇｂ／ｓ／λ光ＭＢＨレートの実験的な評価（文献７）と一致していることに注目している。さらに、図４に示すように、ケース５に対して、図４の差し込み図のレガシーサイトの１０Ｇｂ／ｓファイババックホールへのさらなる更新は、実質上、ｒmaxゲインをもたらしておらず、これは、このケースでは、二点間スループットは無線バックホールリンク上の相当低いレートによって制限されるためである。これは、ケース６の結果によって確認され、ここで、レガシーサイトを２．５Ｇｂ／ｓファイバリンクに更新し、二点間の無線集約前部分ＭＢＨレートを増加させるためにより高度なアンテナの指向性を適用することで、ｒmax＝１４１．１Ｍｂ／ｓが達成された。
【００４６】
結論
【００４７】
我々は、次世代の光ＭＢＨに対するスループット最大化アルゴリズムを提案し、評価した。結果は、思慮深く配置された２．５Ｇｂ／ｓ光バックホールリンクは、異質の４Ｇ  ＭＢＨシステムにおけるスループットを著しく増加させ、ソフトウェアで再構成可能なネットワーク計画のサポートを可能とする。
【００４８】
前述の詳細な説明は、あらゆる点で説明的かつ例示的であるが、限定的なものではないと理解されるべきであり、本明細書において開示されている本発明の範囲は、詳細な説明からではなく、特許法によって認められている完全な範囲に従って解釈される特許請求の範囲から決定されるべきである。本明細書において示され説明されている実施形態は、本発明の原理の例示にすぎないことを理解されたい。当業者であれば、本発明の範囲および精神を逸脱することなくさまざまなその他の特徴の組み合わせを取り入れることができるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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