(57)【要約】【課題】  移動体通信ネットワークにおける性能評価の評価精度の向上をはかる。【解決手段】  ユーザリクエストは、フロー（ダウンロード）レベルでモデル化され、ユーザの特性はリクエストパラメータ、モビリティパラメータといった２つのマルコフ連鎖により記述される（Ｓ１１〜Ｓ１５）。また、性能評価問題は待ち行列ネットワークの問題に帰着され解析される（Ｓ１６）。例えば、１つ基地局を持ち行列ネットワーク上の１つノードとしてモデル化し、モビリティやリクエストに関わるユーザの状態をクラスで表現する。そしてこのモデルを、各待ち行列への到着率を未知変数とする方程式に帰着し、理論解析を行う（Ｓ１７）。【選択図】      図１
2005110229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体通信ネットワークシステムの性能評価に用いられ、コンピュータの演算装置に実装されるネットワーク性能評価方法であって、
ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれの確率モデルで表現するために、ユーザが前記ネットワークを利用するパターンを特徴づけるリクエストパラメータと、ユーザの移動に係わる特性を示すモビリティパラメータを生成する工程と、
ユーザがとりうるリクエスト状態空間と、ユーザの移動に伴い推移するモビリティ状態空間との直積を演算する工程と、
前記演算結果によって表現されるユーザ状態がとり得る状態空間からシステムリソースを特徴づけるシステムモデルのパラメータを生成する工程と、
を有することを特徴とする移動体ネットワーク性能評価方法。
【請求項２】
前記システムモデルのパラメータから複数のサービスタイプを持つ待ち行列ネットワークモデルを生成する工程と、
を更に有することを特徴とする請求項１に記載の移動体ネットワーク性能評価方法。
【請求項３】
前記生成される待ち行列ネットワークモデルを所定の演算式を計算することによって評価する工程と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の移動体ネットワーク性能評価方法。
【請求項４】
移動体通信ネットワークの性能評価を行うネットワーク性能評価装置に用いられるプログラムであって、
ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれの確率モデルで表現する処理と、
リクエスト状態空間とモビリティ状態空間の直積を演算する処理と、
前記演算結果によって表現されるユーザ状態がとり得る状態空間からシステムモデルのパラメータを生成する処理と、
前記システムモデルのパラメータから複数のサービスタイプを持つ待ち行列ネットワークモデルを生成する処理と、
前記生成される待ち行列ネットワークモデルを、所定の演算式を計算することによって評価する処理と、
をコンピュータに実行させる移動体ネットワーク性能評価プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信ネットワークの設計において所望のサービス品質を満たすために必要な周波数資源および設備容量を決定するための評価、設計に用いて、移動体ネットワーク性能評価方法ならびにそのプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信を対象とした性能評価に関する従来の研究として、チャネル単位でリソースを割当てるシステムに関する研究がある（例えば、非特許文献１参照）。ここでは、ユーザの移動特性（以下、モビリティという）を考慮して呼損率、ハンドオフ失敗率の評価等が行われている。
最近の研究のもう一方の流れとして、リソース割当て粒度が非常に細かい場合の評価手法として、プロセッサシェアリング待ち行列ベースの帯域共有モデルがある（例えば、非特許文献２参照）。ここでは、タイムスロット単位でリソースを割当てるＣＤＭＡ（Code Division Multiple Access）２０００ １ｘＥＶ−ＥＶ−ＤＯは、この種のモデルで評価可能であるとされている。この種のシステムの評価はモビリティを考慮したネットワークモデルではなく、単一のセルを対象とした評価方法となっている。
【非特許文献１】Ｒ．Ｊ．Ｂｏｕｃｈｅｒｉｅ ａｎｄ Ｎ．Ｍ．ｖａｎ Ｄｉｊｋ．Ｏｎ ａ ｑｕｅｕｅｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｍｏｂｉｌｅ ｔｅｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｖｏｌ，４８，Ｎｏ．１，ｐｐ．３８−４９，Ｊａｎ．２０００
【非特許文献２】Ｓ．Ｂｏｒｓｔ，Ｕｓｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｃｈａｎｎｅｌ−Ａｗａｒｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｉｎ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｄａｔａ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＩＮＦＯＣＯＭ ２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
Ｂｅｙｏｎｄ ＩＭＴ−２０００などの新世代移動通信システムにおいては、従来の単一のマクロセルシステムによる移動体ネットワークから、異種システム間のシームレスインターワーキング環境への発展が見込まれる。このような環境では、従来のモビリティによるマクロ／マイクロセルシステムの棲み分けが曖昧となる。また、高速移動環境への無線ＬＡＮ適用の可能性も検討されている。車載端末の増加も見込まれ、将来の移動体通信システムにおいてはマイクロセルと高速移動という、従来考慮する必要性の低かった組み合わせの重要度が増すと考えられる。
個々のシステムの観点からは、従来のセル内で均一の性能を保証する方式から、適応変調により場所に応じて最適なデータレートを割当てる方式へのシフトが進んでいる。さらに広帯域化への要請から、より高い周波数帯の利用が求められており、セルサイズの縮小や、同一セル内での場所によるレートの変動が大きくなると予想される。
【０００４】
このような背景から、将来の移動体通信においてはモビリティがシステムの性能に与える影響が増大すると考えられるため、性能評価を行うにあたってモビリティの影響を評価可能な手法が必要である。評価対象となる移動体通信システムは、帯域共有型のシステムが想定される。しかし、従来はモビリティの影響を考慮する必要性が低かったため、帯域共有モデルにおいて、モビリティを考慮した評価手法は提案されていない。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれ確率モデルで表し、それらを同時に考慮することで、移動体通信ネットワークにおける性能評価の評価精度向上をはかった、ネットワーク性能評価方法ならびにそのプログラムを提供することを目的とする。
また、それらを同時考慮可能な待ち行列ネットワークモデルを構築して評価し、更にそのモデルを理論計算により評価することで、国際標準化等で重視される結果の一意性を保証することのできる、移動体ネットワーク性能評価方法ならびにそのプログラムを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために本発明は、移動体通信ネットワークシステムの性能評価に用いられ、コンピュータの演算装置に実装されるネットワーク性能評価方法であって、ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれの確率モデルで表現するために、ユーザが前記ネットワークを利用するパターンを特徴づけるリクエストパラメータと、ユーザの移動に係わる特性を示すモビリティパラメータを生成する工程と、ユーザがとりうるリクエスト状態空間と、ユーザの移動に伴い推移するモビリティ状態空間との直積を演算する工程と、前記演算結果によって表現されるユーザ状態がとり得る状態空間からシステムリソースを特徴づけるシステムモデルのパラメータを生成する工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明において、前記システムモデルのパラメータから複数のサービスタイプを持つ待ち行列ネットワークモデルを生成する工程と、を更に有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明において、前記生成される待ち行列ネットワークモデルを所定の演算式を計算することによって評価する工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、ユーザリクエストは、ダウンロードレベルでモデル化され、ユーザの特性はリクエストパラメータ、モビリティパラメータといった２つのマルコフ連鎖により記述され、性能評価問題は待ち行列ネットワークの問題に帰着され解析される。例えば、１つ基地局を持ち行列ネットワーク上の１つノードとしてモデル化し、モビリティやリクエストに関わるユーザの状態をクラスで表現する。ここでは、モビリティを考慮するために、待ち行列からの退去をダウンロード完了かモビリティによる移動、ハンドオフかによって区別し、径路選択確率をその退去理由に依存可能としている。本発明ではこのモデルを、各待ち行列への到着率を未知変数とする方程式に帰着し、理論解析を行う。このことにより、モビリティの影響を考慮しながら、異種システム間インタワーク環境を含む帯域共有型のシステムの性能評価が精度良く実現できる。
【００１０】
上記した課題を解決するために本発明は、移動体通信ネットワークの性能評価を行うネットワーク性能評価装置に用いられるプログラムであって、ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれの確率モデルで表現する処理と、リクエスト状態空間とモビリティ状態空間の直積を演算する処理と、前記演算結果によって表現されるユーザ状態がとり得る状態空間からシステムモデルのパラメータを生成する処理と、前記システムモデルのパラメータから複数のサービスタイプを持つ待ち行列ネットワークモデルを生成する処理と、前記生成される待ち行列ネットワークモデルを、所定の演算式を計算することによって評価する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ユーザのモビリティの影響が大きくなると考えられる新世代移動体通信ネットワーク等において、標準化段階における所要周波数算出や、通信事業者の設備容量計算等を行うことが可能となる。また、リクエストとモビリティの影響を同時に考慮することにより、モビリティの影響を考慮しないモデルよりも評価精度が向上する。
更に、理論計算により評価することで、国際標準化等で重視される結果の一意性を保証することができる。また、理論計算では必要な計算量がシステム内のユーザ数に依存しないため、計算機シミュレーションでは計算時間が膨大であり扱えない大規模な問題にも適用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明におけるネットワーク評価方法の手順をフローチャートで表現した図である。また、図１は、本発明のネットワーク評価プログラムの処理手順も示す。
ここでは、システムモデルのパラメータの作成から始まり（Ｓ１１）、待ち行列ネットワークモデルの生成（Ｓ１６）、待ち行列ネットワークモデルの理論計算処理（Ｓ１７）に至る。以下、それぞれのステップについて詳細に説明する。
【００１３】
（Ｓ１１：システムモデルのパラメータ生成）
ユーザの確率的な行動パターンは、リクエストパラメータ及びモビリティパラメータによって表現される。リクエストパラメータは、ユーザがネットワークを利用するパターンを表すパラメータで、以下の要素（１）〜（４）からなる（Ｓ１３：ユーザのリクエストを特徴付けるパラメータの生成）。
【００１４】
【数１】
2005110229.tif 000003
リクエスト状態の例としては、ユーザがダウンロード中である状態や、ユーザがコンテンツを閲覧中である状態などがある。システムの使用を開始したユーザは初期状態確率に従って、そのリクエスト状態が定まる。ユーザは、状態ｉにおいて、平均サイズ1／ωiRの指数分布に従うリクエストをシステムに対して要求する。その要求が満たされると、ユーザは確率ＰijRで状態jに推移して新たなリクエストを開始するか、確率１−Σｊ⊆ＲＰijRでシステムの使用を終了する。
【００１５】
モビリティパラメータはユーザの移動に関わる特性を表すパラメータで、以下の要素（５）〜（８）からなる（Ｓ１４：ユーザのモビリティを特徴付けるバラメータの生成）。
【００１６】
【数２】
2005110229.tif 000004
モビリティ状態の例としては、ユーザの位置、移動方向、移動速度等がある。システムの使用を開始したユーザは初期状態に従って、そのモビリティ状態が定まる。ユーザは状態ｉにおいて、平均１／ωiMの指数分布に従う期間の間、その状態に留まる。その期間が終了すると、ユーザは確率ＰijMで状態ｊに推移するか、確率１−Σｊ⊆MＰijMでシステムの使用を終了する。
【００１７】
ユーザ状態はリクエスト状態とモビリティ状態の組によって表される。従ってユーザ状態がとりうる状態空間は、リクエスト状態空間とモビリティ状態空間の直積で表される。
ユーザ状態空間：集合Ｕ＝Ｒ×Ｍ
【００１８】
システムは１個以上のリソースから構成される。リソースは典型的には基地局等の複数のユーザによって共有される設備を表す。また、リソースにはユーザのアイドル状態（コンテンツ閲覧中を含む）に相当する状態を表す特殊なリソースも含まれる場合がある。
システムはリソースに関する以下のパラメータにより表現される（Ｓ１５：システムのリソースを特徴付けるパラメータの生成）。
・全リソースの集合Ｊ
・リソースｊがサポートするユーザ状態の集合Ｕｊ  ⊆Ｕ。但し、Ｕｊは互いに重複の無い集合である。
・リソースｊを使用中のユーザ数がｎｊのとき、ユーザに提供される全サービス率Фｊ（nｊ）
・ユーザ状態ｕ⊆Ｕｊのユーザが、リソースｊによって、単位時間、単位サービス率あたりに処理されるリクエスト量ｈｊ（ｕ）
ユーザ状態ｕ⊆Ｕｊのユーザが、リソースｊによって、単位時間あたりに処理されるリクエスト量はｈｊ（ｕ）Φｊ（ｎｊ）／ｎｊである。
【００１９】
（Ｓ１６：待ち行列ネットワークモデルの生成）
上記したシステムモデルのパラメータから、待ち行列ネッワークモデルを作成する。ここで用いる待ち行列ネットワークモデルは複数のサービスタイプを持つモデルである。この待ち行列ネットワークモデルは以下のパラメータを持つ。
・全ノードの集合Ｊ
・ノードｊにおけるクラスの集合Ｕｊ
・外部からノードｊへのクラスｕ⊆Ｕｊの到着率λｊｕ
・全サービスタイプの集合Ｄ
・ノードｊの系内数がｎｊのときにおけるタイプｄのサービス率φｊｄ（ｎｊ）
・ノードｊにおけるクラスｕタイプｄの平均サービス要求量μｊｕｄ−１
・ノードｊをタイプｄサービスの完了によって退去したクラスｕのユーザが、ノードｋにクラスｖとして到着する確率ｒｊｕｄ，ｋｖ
上記のシステムモデルのパラメータから以下の手順（９）〜（１５）に従い待ち行列ネットワークモデルを生成する。
【００２０】
【数３】
2005110229.tif 000005
【００２１】
（Ｓ１７：各待ち行列ネットワークモデルの理論計算）
各ｊ⊆Ｊについて、以下（１６）〜（１８）の最適化問題を計算する。
【００２２】
【数４】
2005110229.tif 000006
そして次の値（１９）、（２０）を計算する。
【００２３】
【数５】
2005110229.tif 000007
全てのα’ｊｕ（ｊ⊆Ｊ，ｕ⊆Ｕｊ）に関する以下の方程式（２１）〜（２６）を解く。
【００２４】
【数６】
2005110229.tif 000008
これにより、ノードｊの系内客数分布が以下の式（２７）で計算できる。
【００２５】
【数７】
2005110229.tif 000009
【実施例１】
【００２６】
図２に、評価対象システムとしてのセルラーと無線ＬＡＮ（Local Area Network）とのオーバレイ環境評価の一例が示されている。図２のように、セルラーのマクロセル１個の中に、無線ＬＡＮセル１個が配置されている状況を考える。この場合の待ち行列ネットワークモテデルによる表現を図３に示す。
図３では、各基地局を持ち行列ネットワーク上の１つノードとしてモデル化しており、モビリティやリクエストに関わるユーザの状態をクラス表現している。また、モビリティを考慮するために、セルラー、無線ＬＡＮそれぞれの待ち行列１０、２０からの退去をダウンロード完了かモビリティによる移動、ハンドオフかによって区別している。
【００２７】
ここではこのモデルを、各待ち行列への到着率を未知変数とする方程式に帰着し、理論解析を行った。また、同時に計算機シミュレーションによる解析も行った。両者によりセルラー側の平均アクティブユーザ数に対する移動速度の影響を評価した結果、図４にグラフ表示されるような結果を得た。
図４から明らかなように、理論計算、シミュレーションの結果がほぼ一致しており、理論計算では必要な計算量がシステム内ユーザに依存しないため、計算機シミュレーションでは計算時間が膨大なため扱えない大規模な問題にも適用が可能であり、また、理論計算によれば、国際標準化等で重視される結果の一意性を保証することができるため、得られる効果はおおきい。
【００２８】
以上説明のように本発明は、ユーザのリクエストとモビリティをそれぞれ確率モデルで表現し、それらを同時に考慮することにより、標準化段階における所要周波数の算出や通信事業者の設備容量計算等を行うものであり、モビリティの影響を考慮しないモデルよりも評価制度の向上が期待できる。
また、本発明は、待ち行列ネットワークモデルを構築して解析するものであり、そのモデルを理論計算により評価することでシミュレーションでは扱えなかった大規模な問題にも適用を可能とするものである。
なお、本発明は、上記した数式で示された手順をコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって本発明のネットワーク評価方法を実現するものである。ここでいうコンピュータシステムとは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含む。
【００２９】
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【００３０】
以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明におけるネットワーク評価方法の手順をフローチャートで表現した図である。
【図２】本発明の評価のために使用される評価対象システムの一例を示す図である。
【図３】本発明による待ち行列ネットワークモデルの一例を示す図である。
【図４】本発明によるモビリティの影響評価結果をグラフ表示して示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０……待ち行列（セルラーエリア）、２０……待ち行列（無線ＬＡＮエリア）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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