(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線の移動体アクセスのデジタルネットワークにおける１以上の固定ノードに相対的に移動ノードのモビリティを予測して管理する方法であって、
前記移動ノードのモビリティに関連する値を有する第１の物理パラメータの複数のサンプルを取得するステップと、
前記複数のサンプルを統計的に処理して、前記パラメータの予測未来値を生成するステップと、
生成された前記予測未来値に基づいて、前記固定ノードのうち１を特定し、前記移動ノードと固定ノード間の現コネクションの終了に先立って、特定された前記固定ノードとのネットワークレベルにおけるハンドオフ手続きを開始するステップと
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記複数のサンプルを取得するステップは、第２の関連する物理パラメータの複数のサンプルから前記複数のサンプルを決定論的に取得することを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記第１の物理パラメータはパケットレイテンシであり、前記第２の物理パラメータは送信機から受信機への距離であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記複数のサンプルを取得するステップは、前記サンプルを測定することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の物理パラメータはパケットレイテンシであることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
パケットにタイムスタンプを付与し、
前記移動ノードから前記固定ノードのひとつに前記パケットを送信し、
前記固定ノードから前記移動ノードに対して前記パケットを再送信し、
前記移動ノードにおける前記パケットの到着の時刻を記録し、
前記固定ノードから前記移動ノードへのパケットの片道レイテンシを、前記タイムスタンプの値および前記到着時刻の値から計算する
ことにより前記パケットレイテンシを測定することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記統計的に処理するステップは、最小平均二乗アルゴリズムを適用することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記統計的に処理するステップは、平均二乗誤差を最小限にするアルゴリズムを適用することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記第１の物理パラメータは統計的な処理であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記統計的に処理するステップは、統計的な予測処理を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、
前記統計的な予測処理は、
前記第１の物理パラメータの前記複数のサンプル値を相関コンピュータに入力して推定係数を生成するステップと、
前記推定係数と前記複数のサンプル値を線形合成器に入力して、未来時刻における前記第１の物理パラメータの最小平均二乗誤差による予測値を生成するステップと
を具備することを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、前記統計的に処理するステップは、適応的予測処理を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記適応的予測処理は、
前記第１の物理パラメータの前記複数のサンプル値を適応的予測器に入力して、未来の選択された時刻における前記第１の物理パラメータの予測値を生成するステップと、
前記選択された時刻における前記第１の物理パラメータの実際の値を取得するステップと、
前記予測値と前記実際の値を比較して誤差の値を生成するステップと、
前記誤差の値を前記適応的予測器にフィードバックして、未来の次の選択された時刻における前記第１の物理パラメータの予測値を調整するステップと
を具備することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記複数のサンプル値は反復的に前記適応的予測器に入力され、前記適応的予測器は未来の連続した複数の選択された時刻における前記第１の物理パラメータの複数の値を反復的に予測することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の方法であって、
前記適応的予測器は、最小平方二乗アルゴリズムおよび平均二乗誤差を最小にするアルゴリズムを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法であって、
前記予測未来値を予め定められた閾値と比較するステップと、
前記予測未来値が前記閾値に到達するか或いは超過した場合に前記ネットワークレベルにおけるハンドオフ手続きを開始するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１の物理パラメータは、信号対干渉比、信号対雑音比、パイロット信号強度を含むグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１の物理パラメータはパケットレイテンシであって、
パケットレイテンシの未来値は、ネットワークにおける複数の固定ノードの各々に関して予測され、
ネットワーク接続は、前記移動ノードと、パケットレイテンシの最小予測値を表す前記固定ノードとの間で確立されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にはデジタルデータネットワークにおけるデジタルデータの通信に関し、具体的には第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネット−クおよび無線ＬＡＮに関する。さらに具体的には、本発明は、このようなネットワークにおける移動ノードデバイスのモビリティを予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルデータネットワークは、アメリカ合衆国のみならず世界中でビジネス、商業そして個人生活に浸透している。公共インターネット及び私設のローカルおよび広域エリアネットワーク（ＬＡＮ及びＷＡＮ）は、急速にデータ通信及び送信の重要なバックボーンとなりつつある。このようなネットワークで提供されるデータ通信サービスやアプリケーションは数多くあるが、電子メール、ファイルへのアクセスや共用、サービスへのアクセスや共用などがその例である。近年、Ｖｏｉｃｅ  ｏｖｅｒ  ＩＰ（ＶｏＩＰ）やリアルタイムの対話型マルチメディアなどの次世代のデータ通信アプリケーションも登場してきた。
【０００３】
比較的最近まで、デジタルデータネットワークは一般的に複数の「固定」接続点やノードで構成されていた。固定ノードネットワークでは、複数のノードまたはネットワークの接続点は、所定の場所に固定され本来移動可能ではない。これは、このようなネットワークに接続している電子デバイス自体が携帯不能だという意味ではなく、一般的なネットワークアクセス用のデバイスとしては、汎用のデスクトップやラップトップのパーソナルコンピュータ、各種サーバなどがあり、より専門化された電子デバイスとしては、例えばＰＩＭ（Personal  Information  Manager）やＰＩＡ（Personal  Information  Assistants）などが挙げられる。しかしながら、固定ノードネットワークでは、これらのデバイスを固定された場所においてネットワークに接続するので、ネットワークを介してデータを伝達している間はデバイスは移動不可能である。
固定ノードデジタルデータネットワークは、周知のプロトコルを使って複数のネットワークノード間でデータを伝達しルーティングする。現代のインターネットのさきがけである７階層ＯＳＩ（Open  Systems  Interconnection）モデルや４階層の米国国防総省ＡＲＰＡＮｅｔ（Advanced  Research  Projects  Agency：アーパネット）モデルは周知であるが、これらは典型的なマルチレイヤのネットワークプロトコルを定義している。例えば、ＯＳＩモデルは平易なプロトコルの階層を規定しており、これらの階層には低レベルの物理的なハードウェアの仕様や接続を定義した物理層（レイヤ１）、データリンク設定およびフォーマットを定義したデータリンク層（レイヤ２）、ネットワークアドレッシングおよびルーティングを定義したネットワーク層（レイヤ３）、データトランスポート規則を定義したトランスポート層（レイヤ４）などがある。モデムインターネットプロトコルは、基本的にはＯＳＩとアーパネットプロトコルが融合したものである。
【０００４】
インターネットと、インターネットに接続されているデジタルネットワークの殆どすべてが、ネットワーク層（レイヤ３）で規定されたものと実質的に同じアドレッシングおよびルーティングプロトコルに従っている。これらのプロトコルでは、ネットワークの各ノードはＩＰ（Internet  Protocol）アドレスと呼ばれる一意のアドレスを持っている。ネットワークを介してまたはネットワーク間でデジタルデータを伝達するには、送信側、つまりソースノードは送信するデータを複数の「パケット」に細分する。これらのパケットには、送信データの他に、ソースノードと目的の宛先ノード各々のＩＰアドレス、そしてプロトコルが規定した他の情報が含まれている。伝達されるデータの量や他の周知の要因次第で、データを伝達するだけのために複数のパケットを生成し送信する必要が生じる場合もある。ソースノードは各パケットを別々に送信し、各パケットは、プロトコルに規定される当業者には周知の「ルーティング」方法によってソースノードから宛先ノードへネットワークの中継ノードを経由して送信される。ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６０として規定されるインターネットプロトコルバージョン６を参照されたい。尚、この文献は本願明細書に参照として援用される。これら複数のパケットの各々は、宛先ノードまで同じルートを辿る必要はなく、宛先ノードに同時に到達する必要もない。これは、パケット生成の過程で各パケットに順序標識が付与されるためである。パケットが本来の順序とは異なる順序で非同時に到着した場合でも、宛先ノードはこの順序標識を使ってパケットを元の順序に再構成することができるので、送信されたパケットから元のデータを再構成することが可能になる。
【０００５】
このアプローチでは、データ通信処理において、時間に対する一定の配慮を行う必要がある。この時間的配慮が必要な理由は多数あるが、パケットの到着遅延（レイテンシ）やパケットの再構成が原因で生じる遅延（パケットジッタ）などがその例である。例えば、中継ノードで問題が発生したために特定又は選択された送信ルートが中断されパケットの到着が遅れる場合が考えられる。このような場合には、リルーティングが行われ結果として遅延が生じるか、或いは、中継ノードでの問題の解決を待ってから送信が続行するため結果的に更なる遅延が生じることになる。宛先ノードでは、パケットを元の順序に再構成するための処理に際して一定量のオーバーヘッドが生じる。例えば、ある特定のデータ送信に多数のパケットを要する場合、或いは、宛先ノードが他の要因により重荷な処理負荷下にある場合などは、このオーバーヘッドが相当に増加する場合も考えられる。また、パケットがルート上で失われ目的の受信ノードには決して到達しない場合も考え得る。
【０００６】
にもかかわらず、現在のアプローチは、時間的要因に比較的影響されないデータ通信アプリケーションの固定ノードネットワークにおいては比較的うまく機能している。例えば、現在のアプローチは電子メール送信やファイル転送の際に比較的うまく機能する。これは、電子メール送信やファイル転送のようなデータ通信はリアルタイムの対話的なアプリケーションではないため、レイテンシやパケットジッタなどの要因に特に影響されないことが一因である。また、現在の固定ノードインターネットプロトコルでは、パケット損失が発生した場合でも必要に応じてパケットの再送信が可能なため、解決不能な問題を生じることはない。
【０００７】
しかし、ＶｏＩＰやリアルタイムの対話型マルチメディアのような、リアルタイムの対話型データ通信が登場したことで、現在の固定ノードインターネットプロトコルによるアプローチは本質的な課題に直面している。電子メールやファイル転送と違って、このようなリアルタイムの対話型データ通信のアプリケーションは、終端間のパケットレイテンシやパケットジッタなどの時間的要素にかなり影響されやすい。
【０００８】
例えば、ＶｏＩＰは、標準電話の信号方式と制御プロトコルを使ってＩＰデジタルデータネットワークを介してリアルタイムの対話型終端間音声通信を提供する。ＶｏＩＰでは、音声信号はデジタル形式に変換され、パケット化され、送信され、そして一般的に使用されているインターネットのプロトコルを使ってＩＰネットワーク上をソースノードから宛先ノードにルーティングされる。到着先において、パケットは再度組み立てられ、音声信号が再構成されて音声が再生される。これらの信号処理、送信、そしてルーティングはリアルタイムに実行される。したがって、パケット遅延が発生すると、会話の一方の当事者が話す時間と、会話の他方の当事者が話し手が言ったことを聞く時間の時差が発生する。閾値を超えた遅延や、実質的に混乱のない会話を行うことができなくなるほどの遅延は受け入れられない。実際、０ミリ秒から約３００ミリ秒までの範囲での一方向パケットレイテンシは、「優」から「良」の通信品質が得られる一方、３００ミリ秒を越えるレイテンシでは、「不良」または「不可」の品質しか得られないことが実証されている。
【０００９】
また、送信中にパケット損失が発生すると、ＶｏＩＰ通信の品質に悪影響を及ぼす。６０ミリ秒を超えるデジタル化された音声データから成る音声パケットが失われた場合、音声が不明瞭になることが実証されている。ルーティングの問題など、パケットが送信中に失われる理由は数多くある。ＶｏＩＰはリアルタイムの対話型データ通信なので、再送信が可能な現在のインターネットプロトコルでもこの場合殆ど意味がないことになる。
【００１０】
パケットジッタもＶｏＩＰ通信の品質に著しい影響を与える。ＶｏＩＰでは、パケットジッタが生じると、最低限許容可能なレイテンシの要件を満たすのに必要な制限時間内にパケットすべてを再構成することができなくなる。その結果、再組み立て処理に際しパケットがいくつか失われているため、即ち、音声データが一部欠けているため、音声品質が悪化する。許容範囲の音声品質を保つためには、一般的に音声パケットの到着間隔は４０〜６０ミリ秒の範囲内に制限されなければならないことが判定されている。この範囲内であれば、データのバッファリングを使用することによって、音声通信の全体的な品質に実質的な影響を与えることなくジッタ問題を解決することが可能である。
【００１１】
イントラネットワーク処理遅延、送信遅延、及びルーティング遅延に極めて影響されやすいリアルタイムの対話型マルチメディアデータ通信アプリケーションの数は増加しており、ＶｏＩＰはその一例に過ぎない。例えば、リアルタイムの対話型ビデオ及び／またはオーディオを伴う同様のアプリケーションも、同様の配慮が必要になる。
【００１２】
加えて、近年提案されている無線の移動体アクセスのデジタルデータネットワークにおけるアドレシングとルーティング技術はダイナミックに変化しており、固定ノードデータネットワーク用の現在のインターネットのアドレッシングやルーティングプロトコルおよびアプローチでは、この変化に対応するのは不可能である。国際電気通信連合（ＩＴＵ：International  Telecommunication  Union）インターネット学会は、世界規模のデータネットワーク標準規格に関する公認の機関であるが、近年、ＩＭＴ−２０００（International  Mobile  Telecommunications−２０００）標準規格を発行した。これらの標準規格は、いわゆる第３世代（３Ｇ）さらにそれを超える世代の（即ち、３．５Ｇ、４Ｇ等）データネットワークにおける、セルラ電話、ＰＤＡ（Personal  Digital  Assistants）、携帯型コンピュータなどの無線の移動ノードデバイスによる広範な移動体アクセスを提案している（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｔｕ．ｉｎｔ参照）。この提案された第３世代とそれを超える世代のネットワークは、在来型の無線の移動体アクセスのセルラ電話ネットワークと異なり、完全にＩＰを基礎としている。即ち、データはすべて標準インターネットのアドレッシングとルーティングプロトコルを介して終端から終端までディジタル形式で伝達される。さらに、現在の固定ノードネットワークと異なるのは、提案された第３世代とそれを超える世代の無線の移動体アクセスネットワークでは、無線の移動ノードはネットワークとの接続が維持されていて他の固定または移動ネットワークノードとのデータ通信に従事している間は、ネットワーク内を自由に移動できる点である。とりわけ、このようなネットワークは、通信中のノード間でデータパケットをダイナミックリルーティングする機能を備える必要が出てくる。現在のインターネットのアドレッシングおよびルーティングプロトコルやスキームは、固定ＩＰアドレスと固定ノード関係に基いているので、そのような機能は備えていない。同様に、現在の固定ノードのインターネットのプロトコルは、無線ＬＡＮで使用するには不十分である。
【００１３】
第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスネットワークおよび無線ＬＡＮにおいて提起されているモバイルＩＰアドレッシングおよびダイナミックルーティングという課題に対処するため、標準規格が提案された。例えば、インターネット・エンジニアリング・タスク・フォース（ＩＥＴＦ：Internet  Engineering  Task  Force、以下ＩＥＴＦと呼ぶ）は、インターネットアーキテクチャの進化とインターネットの円滑な運営に関心を持つネットワーク設計者、事業者、ベンダー、そして研究者の国際共同体であるが、そのような移動体アクセスネットワークにおけるＩＰアドレッシングとダイナミックリルーティングに対処するための標準規格をいくつか提案している（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ参照）。これら提案された標準規格には、ＩＥＴＦのＲＦＣ２００２（モバイルＩＰバージョン４とも呼ばれる）のようなＩＰモビリティサポートの標準規格や「ＩＰｖ６におけるモビリティサポート」という名のドラフト作業書「ｄｒａｆｔ−ｉｅｔｆ−ｍｏｂｉｌｅｉｐ−ｉｐｖ６−１２」（モバイルＩＰバージョン６とも呼ばれる）などが含まれる。
提案されているモバイルＩＰ標準規格は、現在のインターネットのアドレッシングとルーティングのプロトコルおよびスキームの欠点に取り組み、無線の移動ノードデバイスによるネットワークアクセスとデータ通信に対応している。しかしながら、これらの標準規格は、ＶｏＩＰのようなリアルタイムの対話型データ通信アプリケーションにとって致命的な、例えば、終端間レイテンシやパケットジッタのような送信タイミングと遅延の問題に対処している訳ではない。確かに、パケットレイテンシやジッタは、固定ノードのＩＰネットワークに比べ、提案されている第３世代の移動体アクセスネットワークにとっては重要な課題となっている。遅延の主要因としては、移動ノードがネットワーク内で位置を変更したときに、移動ノードのネットワーク接続をあるアクセスノードから別のアクセスノードに「ハンドオフ（手渡し）」する際に必要な付加処理およびオーバーヘッドの時間が挙げられる。ハンドオフ処理では、とりわけ、新規アクセスノードとの通信を設定し、移動ノードを登録して認証し、ネットワークにおける位置登録を更新し、認証やセキュリティの問題および要件に対処し、移動ノードと通信の相手方ノードであるコレスポンデントノードとの新規なデータルートを設定するなどの処理を行う。これら必須処理が原因で生じる付加遅延により、データ通信、特にリアルタイムの対話型データ通信の品質が著しく劣化する可能性があり、回線の切断も起こり得る。
【００１４】
移動体ネットワークアクセス技術の進化に加え、ＣＤＭＡ（Code  Division  Multiple  Access）やＷ−ＣＤＭＡ（Wideband  Code  Division  Multiple  Access）技術などの無線データ通信技術の進化により、セルラ通信ネットワークの移動送受信機や他の無線デバイスのユーザがＶｏＩＰや他のリアルタイムの対話型データ通信アプリケーションおよびサービスを利用する際に必要な帯域幅のデータトラフィック処理機能が新たに提供されるようになった。しかしながら、これらの高度通信技術も、パケット送信レイテンシとジッタの問題に対処している訳ではない。これらの問題はネットワーク層で発生し、提案されている第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスＩＰベースのネットワークにおいてＶｏＩＰや他のリアルタイムの対話型データ通信アプリケーションとサービスを実現するためにはこの問題の解決は必須である。
【００１５】
無線の移動体アクセスデータネットワークが直面している第２の問題としては、サービスの品質の問題がある。低い信号品質、過度の誤り訂正、そしてその結果生じるパケット遅延などの問題に対処する必要がある。このような問題は、例えば移動ノードが用いるネットワーク内のデータ接続点が最適ではない場合に発生する。
【００１６】
ネットワークノードが移動することで発生する移動体アクセスのＩＰネットワークにおけるパケット送信遅延の問題に対処する努力が進められている。現在のＩＥＴＦ提案書には、提案されているモバイルＩＰ標準規格を発展させてパケットのルーティングを最適化させることを提案しているものがある。これは、移動ノードおよびコレスポンデントノード間の直接ルートを設定して、移動ノードのホーム「エージェント」ルータを介したパケットの「トンネリング」を回避するというものである（ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｄｒａｆｔｓ「モバイルＩＰのルート最適化」という題名の「ｄｒａｆｔ−ｉｅｔｆ−ｍｏｂｉｌｅｉｐ−ｏｐｔｉｍ−０９．ｔｘｔ」を参照）。これは、提案されているモバイルＩＰ標準規格の下で移動ノードとコレスポンデントノード間のパケットの「三角ルーティング」から生じる周知の非同期レイテンシの問題に対する対策として提案された。しかしながら、いずれにせよ、この提案は移動ノードのモビリティが検出されるかどうかに依存しており、且つ安定した状態におけるレイテンシの問題に対処したに過ぎないため、部分的に欠陥がある。つまり、現在の提案書が想定しているデータ通信の直接ルートは、モビリティが検出されて移動ノードおよびコレスポンデントノード間の通信が隣接ノードから別の隣接ノードにハンドオフされた後に設定される。このように、この提案は、ハンドオフ処理自体の処理中または処理直後に発生する著しい遅延に対処したものではない。このハンドオフ処理に関連した遅延は、ＶｏＩＰのようなリアルタイムの対話型データ通信に関する最重要課題だと言ってよい。その上、サービスの品質の問題についても何も対処していない。
【００１７】
また、ＵＣＬＡで研究中のスーおよびガーラが行った提案では、予測モビリティ分析を使って、完全に移動する「非定型」ルーティングのデータネットワークにおいて、移動ノードの方向と位置を他の移動ノードと相対的に判定する。この提案では、ＧＰＳ（Global  Position  Satellite）技術を用いて様々な移動ノードの移動速度と方向を判定し、ハンドオフが必要になる前に隣接ノードが通信を維持できる時間を予測する。しかし、この提案は、第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスネットワークが直面するパケット遅延の問題に適切な解決策を示していない。それには多くの理由があるが、ひとつには、コストが法外に高いということである。また、膨大な量の複雑な数学計算が必要であるので、比較的限られた処理および演算機能しか備わっていない現在の移動ノードデバイスでは、この提案を実行することは実際不可能である。また、重大なことに、この提案もサービスの品質の問題への対策は何も示していない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
まず、第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスのインターネットのプロトコルのネットワークにおいて移動ノードがデータ通信中にネットワークのアクセスポイントを変更することにより発生するパケットレイテンシおよびジッタを削減する方法が求められている。
【００１９】
次に、移動ノードが複数のネットワークアクセスポイントを利用可能である場合に移動ノードの通信サービスの品質を最適化する方法も必要である。
加えて、比較的限られた処理および演算機能しかない移動ノードデバイスにおいて実行可能なパケットレイテンシおよびジッタの削減方法、および通信サービスの最適化を可能にする方法が必要とされている。
また、現在提案されている無線の移動体アクセスネットワークだけでなく、無線ＬＡＮおよび他の無線の移動体アクセスのデジタルデータネットワークに適用可能なアプローチも必要である。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスデジタルデータネットワークにおいて、移動ノードのモビリティを予測する方法を提供する。
【００２１】
一面において、本発明は、インターネットプロトコルのネットワーク層（レイヤ３）で発生した制御パケットレイテンシデータを用いて１以上の固定隣接ノードまたはアクセスポイントとの相対関係によりネットワークにおける移動ノードデバイスのモビリティを予測する。
【００２２】
別の側面において、本発明は、決定論的アプローチ、統計的アプローチ、および／または適応的なアプローチを用いて移動ノードのモビリティを予測する。このアプローチは、限られた処理および演算機能しかない移動ノードデバイスに容易にインプラント可能である。
【００２３】
さらに、別の側面において、本発明は、信号対干渉比（ＳＩＲ：Signal  to  Interference  Ratio）や信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal  to  Noise  Ratio）、またはパイロット信号強度などモビリティに関連するネットワークリンク層（レイヤ２）の変数を使って、ネットワークにおける移動ノードのモビリティを予測する。
【００２４】
本発明に係る上記方法を採用することにより、移動ノードが自装置のネットワークアクセスをあるノードから別のノードにいつハンドオフする必要があるかに関して高度な判定を行うことができる。これにより、結果的に、移動ノードとそのコレスポンデントノード間で新データルートを予め設定することが可能になり、ハンドオフ処理から生じるパケットレイテンシおよびパケットジッタを削減することが可能になる。また、本発明に係る方法は、複数のネットワークアクセスポイントに接続可能な場合に最適なアクセスポイントを選択する根拠を提供することにより、移動ノードの通信の品質を著しく向上させる。第３世代およびそれを超える世代の無線の移動体アクセスのデジタルデータネットワークにおける他の多数のアプリケーションも本発明のアプリケーションから恩恵を受けるはずである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
現在の最良の実施の形態を図面を参照しながら説明する。この図面において、同様の構成要素には同一の参照符号を付与する。本願明細書に含まれている最良の実施の形態の説明は本質的な意味において単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００２６】
図１は、第３世代の無線の移動体アクセスのＩＰデータネットワーク１００の一例であり、このネットワーク１００において、本発明が応用されるように意図されている。本明細書の目的のために、データネットワーク１００は、無線の移動体アクセスネットワークに関しＩＭＴ−２０００標準規格およびＩＴＵの仕様に従うものとする。また、データネットワーク１００は、ＩＴＦの、提案されているモバイルＩＰバージョン４またはモバイルＩＰバージョン６標準規格に準じてモバイルＩＰサポートを実行するものとする。これらの標準規格および仕様は、ＩＴＵおよびＩＥＴＦのホームページに公開されており、本願明細書において参照として援用する。
【００２７】
無線の移動体アクセスのＩＰデータネットワーク１００の中心には、多数の図示せぬ固定ノード、即ち接続またはリンクの固定ポイントを有する固定ノードＩＰデータネットワーク１２０が備えられている。コアネットワーク１２０自体は従来からのものである。デジタルデータは、ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６０に規定されているインターネットプロトコルバージョン６などの周知で在来型のインターネットのプロトコルに従って、ネットワーク内またはネットワークを超えて伝達される。尚、ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６０は、本願明細書に参照として援用される。コアネットワーク１２０のノードの中には、従来からのルータ（図示せず）があり、これらのルータは従来からあるインターネットアドレッシングおよびルーティングのプロトコルに従って中継ノードとして機能し、ネットワークに接続されているソースノードと宛先ノード間でデータパケットをルーティングする。
【００２８】
コアネットワーク１２０上に設けられているのは、複数のサーバ／ルータ１３０であり、これらが集まってＩＰモバイルバックボーン１４０を構成する。ＩＰモバイルバックボーンを構成する複数のサーバ／ルータ１３０各々はそれ自体コアネットワーク１２０のノードであり、コアネットワーク１２０を介して相互接続されている。サーバ／ルータ１３０は、ＩＥＴＦのＲＦＣ２００２（「モバイルＩＰバージョン４」）に規定されているように、ホームエージェント（ＨＡ：Home  Agent）および外部エージェント（ＦＡ：Foreign  Agent）として機能し、移動ノード１３５と移動コレスポンデントノード１４０をコアネットワーク１２０にインタフェースする。尚、このＩＥＴＦのＲＦＣ２００２は、本願明細書において参照として援用される。移動ノードは、セルラ送受信機、セルラ電話、携帯型コンピュータ、ＰＩＭ、無線データ端末など、任意の数の異なる種類の移動無線通信デバイスである。
【００２９】
ＲＦＣ２００２に従い、各移動ノード１３５、１４０にはホームネットワークが割り当てられている。また、移動ノード１３５、１４０の各々は移動ノードのホームネットワーク上のルータであるホームエージェントを有する。移動ノードのホームネットワークは、移動ノードが自機のホームネットワークエリアで動作している際のネットワーク１２０との接続点である。移動ノードのホームエージェントは、移動ノードが自機のホームネットワークエリアで動作している際に移動ノードが送受信するパケットをルーティングする機能も有する。また、提案されているモバイルＩＰサポート標準規格によれば、移動ノードのホームエージェントは、移動ノードがホームネットワークエリアから離れて動作している場合に移動ノードの現在位置情報を保持し、外部に位置する移動ノードに対するパケットのルーティングにも引き続き従事する。この点は、少なくとも、提案されているベースのモバイルＩＰバージョン４標準規格において規定されている。
【００３０】
モバイルＩＰバックボーン１４０を構成する他の複数のルータは外部エージェントとして機能する。外部エージェントは、移動ノード１３５が自機のホームネットワークエリアから離れて動作している際のネットワークアクセスポイントを提供する。ある外部エージェントを介して移動ノードが所定の時刻および位置においてネットワークに接続されている場合、この外部エージェントは、移動ノード１３５が送受信するパケットをルーティングする。
【００３１】
在来型の固定ノードのインターネットプロトコルベースのデータネットワークの場合と同様に、ネットワーク１２０における各ノードは、一意のＩＰアドレスを有する。同様に、モバイルＩＰバックボーン１４０を構成する各エージェント／ルータも一意のＩＰアドレスを有し、各移動ノードとそれらのコレスポンデントノードも同様である。
【００３２】
移動ノード１３５、１４０は、基地局サーバ（ＢＴＳＳ）１４５と基地局（ＢＴＳ）１５０を介してエージェント１３０と通信する。ひとつのエージェント１３０は、複数の基地局サーバ１４５にネットワーク接続されていても良い。各基地局サーバ１４５はネットワークのノードであり、任意の他のネットワークノードと同様に一意のＩＰアドレスを有する。各基地局サーバ１４５は、基地局１５０のサブネットワーク１５５を収容し、サブネットワーク１５５とデータネットワーク１００間のインターフェースとして機能する。移動ノード１３５、１４０および基地局は、周知のＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、または同様のデジタルデータ通信技術を用いて互いに通信する。
【００３３】
基地局サーバ１４５および基地局のサブネットワーク１５５の構成、配置および機能は、在来型であり標準である。同様に、無線の移動ノードデバイス１３５および基地局におけるＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、或いは同様のデジタルデータ通信技術の実行方法、および無線の移動ノードデバイス１３５および基地局間のデジタルデータ通信の実行方法も標準である。従って、これらに関する詳細な説明は本発明の理解のためには不要であるので、ここでは省略する。
【００３４】
データネットワーク１００全体の中では、移動ノードのモビリティが３レベル想定されている。マクロモビリティは、移動ノードが自分のホームエリアとホームエージェントを離れて別のエージェントに収容されるエリアに入るような移動ノードの位置変化を示す。言い換えれば、移動ノードのデータネットワークとのリンクまたは接続があるエージェントから別のエージェントに移動する。マクロモビリティは、ホームエージェントと外部エージェント間、または外部エージェント同士の間の移動を含む。中間モビリティは、ネットワークとのリンクがある基地局サーバから別の基地局サーバに移行した際の移動ノードの位置の変化を示す。例えば、移動ノードがある基地局サブネットワーク１５５から別の基地局サブネットワーク１５５に移動するような場合の移動ノードの位置の変更が考えられる。また、マイクロモビリティは、基地局サブネットワーク１５５内での移動ノードの位置の変化を示す。この場合、移動ノードのネットワークリンクは変わらない。
【００３５】
中間モビリティとマイクロモビリティの場合の処理は、無線のセルラ通信ネットワークでは周知である。例えば、移動ノードデバイス１３５がマイクロモビリティ規模で位置を変える場合は、基地局間での通信ハンドオフの検出および処理はビーコン信号の強度を使って行われることは周知である。同様に、移動ノード１３５が基地局サブネットワークの境界を超えて位置を変える際の基地局サーバ間の通信ハンドオフの検出および処理も標準である。両者の場合において、これらに関する詳細な説明は本発明の理解のためには不要であるので、ここでは省略する。
【００３６】
本実施形態の意味合いにおいて、本発明は、移動ノードがネットワーク内で位置を移動し、あるエージェントから他のエージェントにネットワークのリンクを変えるようなマクロモビリティレベルの場合に適用される。しかしながら、別の意味合いにおいて、例えば無線ＬＡＮとの関係において、本発明はマイクロモビリティレベルでの移動にも適用される。図２は、第３世代の無線の移動体アクセスデータネットワークにおける移動ノードのマクロモビリティとハンドオフ処理の簡略型図式表示であり、モバイルＩＰバージョン６のモビリティサポートを具体化している。この例において、移動ノードのマクロモビリティから生じるエージェント間のネットワーク接続ハンドオフ処理は、提案されているモバイルＩＰバージョン４の場合はＩＥＴＦのＲＦＣ２００２において、また提案されているモバイルＩＰバージョン６の場合は「ｗｗｗ．ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｄｒａｆｔｓ」で参照可能な「ｄｒａｆｔ−ｉｅｔｆ−ｍｏｂｉｌｅｉｐ−ｉｐｖ６−１２．ｔｘｔ」において規定されている。
【００３７】
この処理は、移動ノード（ＭＮ）１３５がネットワーク１００の開始点Ａに位置する状態からスタートする。この位置において、移動ノード１３５はコレスポンデントノード（ＣＮ）１４０とデータ通信中である。この例では、このコレスポンデントノード（ＣＮ）１４０は別の移動ノードデバイスであるが、固定ノードであってもよい。移動ノード１３５が開始点Ａにいる間は、移動ノード１３５とコレスポンデントノード１４０間のデータ通信は、コアネットワーク１２０と、ノード１３５、１４０にネットワーク接続を提供するローカルルータＲ１およびＲ３を介して行われている。好ましくは、移動ノード１３５とコレスポンデントノード１４０は、各々ローカルルータＲ１およびＲ３と通信する際にＣＤＭＡ、Ｗ−ＣＤＭＡ、または同様の無線の広帯域スペクトラム拡散技術を使用して、例えば基地局と基地局サーバを介して（図示せず）通信するのがよい。図示の例では、移動ノード１３５は、自機のホームエリアとホームエリアルータ（ＨＡ）からはすでに離れて動作しており、ローカルルータＲ１を介してネットワークに接続している。しかしながら、移動ノード１３５の開始点Ａが自機のホームエリア内であって、ホームエリアルータ（ＨＡ）１３０を介してネットワークノードに接続されコレスポンデントノード１４０と通信し、自機のホームエリアから別の位置に移動した場合でも状況は同様である。
【００３８】
この例はモバイルＩＰバージョン６を実行するネットワークなので、ホームエリアルータ（ＨＡ）とローカルルータ（Ｒ１、Ｒ２）は、モバイルＩＰバージョン４の場合のようにホームエージェントと外部エージェントとは呼称されないことに留意する必要がある。この詳細な理由は、モバイルＩＰバージョン６ドラフトＩＥＴＦ文書およびＩＥＴＦのＲＦＣ２００２に説明されている。尚、これらの文献はすでに紹介し、本願明細書の参照として援用した。しかし、どちらのバージョンも同様のモビリティ検出とハンドオフ機能を提供しており、移動ノードが第１のルータまたはエージェントに収容されるエリアから離れて第２のルータまたはエージェントに収容されるエリアに入ると、移動ノード１３５のモビリティが隣接システム発見メカニズムを介して検出されて、移動ノードのネットワーク接続が第１のルータまたはエージェントから第２のルータまたはエージェントにハンドオフされる。この機能は、第１のルータが移動ノードのホームネットワークルータ或いは外部ルータである場合でも同様である。同様に、この機能は、第２のルータが移動ノードのホームネットワークルータ或いは外部ルータである場合でも同様である。いずれのバージョンにおいても、ハンドオフ処理は、パケットレイテンシの主な原因であり、移動ノードとコレスポンデントノード間のリアルタイムの対話型データ通信の質に影響を及ぼす。このように、図示の例はモバイルＩＰバージョン６との関係で説明されているにもかかわらず、モバイルＩＰバージョン４の場合にも同様の機能および考慮すべき点が存在しているのである。
【００３９】
移動ノード（ＭＮ）１３５が開始点Ａから中間点Ｂに移動すると、その移動は、数多く存在する周知の方法のうち１以上の方法により検出される。通常、移動は移動ノードのネットワークリンク層（レイヤ２）のＭＡＣ（Media  Access  Control）部で検出される。特定の実行方法は様々であるが、Ｄｏｗｎ／Ｔｅｓｔｉｎｇ／Ｕｐインターフェースステータスを使用する方法が周知である。この方法はＩＥＴＦのＲＦＣ１５７３に説明されており、本願明細書において参照として援用される。別の方法では、ビーコン信号の強度の検出を用いている。また、移動ノード１３５によって受信される信号の品質を評価する方法もある。これらに関する詳細な説明は本発明の理解のためには不要であるので、ここでは省略する。
【００４０】
代わりにまたは付加的に、移動ノード（ＭＮ）１３５は、ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６１に規定されている隣接システム発見（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ  Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ）技術を用いてもよい。ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６１は本願明細書において参照として援用される。また、すでに本願明細書の参照として援用されているモバイルＩＰバージョン６ドラフト文書（セクション１０．４）において、モバイルＩＰバージョン６の移動ノード用に推奨されている。この技術において、移動ノード１３５は、いわゆる隣接システム到達不可の検出（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ  Ｕｎｒｅａｃｈａｂｉｌｉｔｙ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）を使って、▲１▼自機のローカルルータＲ１に送信されたデータパケットのＴＣＰ肯定応答を検出し、且つ／または、▲２▼エリア内の他の移動ノードデバイスからの隣接システム請求（Ｎｅｉｇｂｏｒ  Ｓｏｌｉｃｉｔａｔｉｏｎ）メッセージに応じてローカルルータＲ１から隣接システム広告（Ｎｅｉｇｈｂｏｒ  Ａｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ）メッセージを受信し、且つ／または、▲３▼ローカルルータＲ１から、請求されることなく自発的に送信されたルータ広告（Ｒｏｕｔｅｒ  Ａｄｖｅｒｔｉｓｅｍｅｎｔ）メッセージを受信する。ＴＣＰ肯定応答を受信すると、ローカルルータＲ１を経由した移動体ノードのネットワーク接続がまだ可能だということを意味する。隣接システム広告および／またはルータ広告メッセージを受信すると、移動ノードにネットワーク接続を提供できる他のローカルルータが存在することを意味する。
【００４１】
ある時点で、移動ノード１３５は、中間位置Ｂに到達し位置Ｃに向けて移動し続けるにつれて、ローカルルータＲ１を介したネットワーク接続は劣化し始める。この劣化は、既に説明したように、信号強度の損失や信号品質の低下、および／またはＴＣＰ肯定応答の損失または他のローカルルータの存在の検出に基いて検出される。通常、移動ノードデバイスの内部プログラミングでは、予め設定された閾値にいったん到達すると、移動ノード１３５は新しいローカルルータを特定し、そのルータを介した新ネットワーク接続を設定してローカルルータＲ１を介した劣悪なネットワーク接続を置き換えるようにプログラムされている。
【００４２】
移動ノード１３５は、ＲＦＣ２４６１およびＩＥＴＦのモバイルＩＰバージョン６ドラフト文書（セクション１０．４）において説明されている隣接システム発見方法論を使って利用可能なローカルルータを特定してもよい。このように、移動ノード１３５は、ルータ請求メッセージを放送して利用可能なローカルルータがあるかどうか判定するか、利用可能なルータからの請求されることなく自発的に送信されるマルチキャストルータ広告メッセージを受信するのを待つことができる。図示の例では、移動機１３５は、ルータ請求メッセージを放送するようにしてもよい。ローカルルータＲ２はこのメッセージを受信すると、ルータ広告メッセージで移動機ノード１３５に直接応答する。あるいは、移動ノード１３５は、新しいローカルルータＲ２から請求されることなく自発的に送信されるルータ広告メッセージを受信するだけでもよい。いずれの方法においても、移動ノードは、新ネットワーク接続の相手となる新ローカルルータＲ２を特定することになる。
【００４３】
新ローカルルータＲ２が特定されると、移動ノード１３５は新ルータＲ２を登録して最初のルータＲ１の登録を取り消すことにより最初のルータＲ１から新しいローカルルータＲ２にネットワーク接続をハンドオフする。この登録／登録取消処理の一部として、移動ノードまたは新しいルータＲ２はバインディング更新、即ち、新しい「気付」ＩＰアドレスを移動ノードのホームルータおよび移動ノードが通信しているコレスポンデントノードに対して送信する。これにより、最初のルータＲ１の代わりに新ルータＲ２を介してパケットが移動ノードからまたは移動ノードに対してルーティングされるようになる。また、移動ノード認証およびセキュリティ処理を実行して、移動ノード１３５が事実正当であることを確認し、盗聴、アクティブ反射攻撃、そして他種の攻撃や、機密データへの不正アクセスなどの問題を回避する。セキュリティおよび認証対策は、ＩＥＴＦのモバイルＩＰバージョン６ドラフト文書に説明されており、本願明細書において参照として援用する。他のセキュリティおよび認証対策に関してはＩＥＴＦのＲＦＣ２４０１、２４０２、２４０６に説明されており、同様に本願明細書において参照として援用される。ハンドオフ処理および関連する認証およびセキュリティ処理については、提案されているＩＥＴＦモバイルＩＰ標準規格文書（既出かつ参照として援用済み）において、ＩＥＴＦのＲＦＣ２４６２（本願明細書に参照として援用）およびこの段落中に記載した他のＲＦＣの中に詳細に説明されている。これらに関する詳細な説明は本発明の理解のためには不要であるので、ここでは省略する。しかしながら、想定されているハンドオフ処理を実行するにはかなり時間を要し、とりわけ非同期三角ルーティングが原因でパケットレイテンシおよびジッタが増加し、ミスルーティングによってパケット損失の確率が上がることは、当業者にとって明らかであろう。また、提案されたＩＥＴＦのモバイルＩＰサポートおよび関連の標準規格は、利用可能な接続ノードが複数存在する際に移動ノード１３５が新ネットワーク接続を選択する方法を提案していないため、最適な接続の選択に関する課題にも対処していないことは、当業者にとって明らかであろう。
【００４４】
本発明は、移動ノードのモビリティを予測する方法を提供することにより、パケットレイテンシと最適なネットワーク接続の両方の課題に特に対処したものである。好ましくは、本発明に係る方法は、提案されているモバイルＩＰ標準規格のモビリティ検出に関する現在の方法に取って代わるものである。本発明の方法を使って、移動ノード１３５はネットワーク接続のハンドオフがいつ必要であるかを、事前に判定することができる。この情報を使って、移動ノードは最初のルータまたはエージェントとのネットワーク接続を保持しながら、新ルータまたはエージェントと新ネットワーク接続を事前に設定することができ、通信相手のコレスポンデントノードとの新パケットルートを事前に設定することができる。新接続とルートが確立されている場合にのみ移動ノード１３５は最初のルータまたはエージェントとのネットワーク接続を切断する。このアプローチにより、ハンドオフが原因で起こるパケット遅延と損失が著しく減少する。その上、これらの好ましい予測方法を使うことによって、移動ノードは複数の利用可能な接続ノードの中からネットワーク接続を最適化するノードを選択することができ、ネットワーク通信の品質が最適化される。これら好ましい予測方法によって提供される情報は、これらの例に限らず、また、例えば無線ＬＡＮのような他の目的で他の意味合いで使用されてもよい。
【００４５】
第３世代のネットワーク例における最良の実施の形態を説明してきたが、この形態において、モビリティ予測分析は、移動ノードのモビリティに関連する変数または特徴に関して周期的に実行される。好ましくは、モビリティ予測分析は、移動ノード１３５中に記憶されたプログラムに従って、移動機１３５の複数のプロセッサ装置が実行するのがよい。このストアドプログラム方式のプロセッサ装置は周知である。しかしながら、代わりに、このモビリティ検出は、移動ノードのローカル基地局サーバのプロセッサ装置がその記憶プログラムに従って実行し、検出結果をネットワークの他の任意のデータと同様に移動ノードに対して伝達するようにしてもよい。本実施形態において、モビリティ予測分析は一秒に約１回実行される。
【００４６】
好ましくは、モビリティ予測分析により、閾値を判定することができる。この閾値は、移動ノードが固定基地局または他のノードとの相対において十分に移動した場合に移動ノードが要求された処理を実行するべきだということを示す値として選択される。例えば、モビリティに関連する変数の予測値が選択された閾値を超えた場合、移動ノードは新ネットワーク接続を始動し、実際のハンドオフが必要になる前に移動ノードとの新パケットルートを設定するようにしてもよい。代わりに或いは付加的に、モビリティ予測分析は、認証およびセキュリティ対策のハンドオフ前処理のトリガ、ハンドオフ処理自体の他の側面についての前処理のトリガ、または移動ノードの接続および／または通信の品質を最適化するための新ネットワーク接続選択のトリガとして使用することができる。選択された特定の閾値は、特定の処理または実行するよう要求された処理、特定のネットワーク特性、および多種の最適化要因に依存する。
【００４７】
モビリティ予測分析は、ネットワーク層（レイヤ３）における移動ノード１３５または基地局サーバ１４５の論理アドレッシングおよびルーティングのプログラミングにおいてレイヤ３のモビリティに関連する変数に関して実行してもよい。ハンドオフのタイミングを判定する際の周知の方法としては、従来から、レイヤ２またはその副層であるＭＡＣ（mobility  access  control）層におけるビーコン信号の強度が使用される。この方法では、移動ノード１３５は、在圏する基地局１５０および隣接基地局１５０からのビーコン信号の信号強度を監視測定し、最も強いビーコン信号を送信している新基地局１５０へのハンドオフを実行する。同様に、既に説明したように、在圏している基地局サーバ１４５への接続および隣接基地局サーバ１４５への接続性の評価が、移動ノード１３５と基地局サーバ１４５間でパケット交換を行うことによりネットワーク層（レイヤ３）において実行される。例えば、ルータは自発的に広告パケットを送信し、通過する移動ノードに対して自らの存在を広告する。この広告パケットは、強度測定用のレイヤ２のビーコンに類似したレイヤ３のビーコンだとみなしてよい。本発明に係るモビリティ予測分析は、これらの特定のパケットを用いてネットワークレイヤ３において実行される。しかし、より低レベル層で実行されるビーコンの強度測定などのネットワークレイヤ２における周知の方法を使用して、レイヤ３の予測結果を補足または確認するようにしてもよい。さらに、本発明の予測方法をレイヤ２のモビリティに関連した変数に適用させて同様の結果を得るようにしてもよい。
【００４８】
本発明に係るモビリティ予測分析の好ましい形態としては、通常、要求された移動ノードによる処理をトリガする閾値を正確に提供するにはそれ自体で十分である。にもかかわらず、利用可能な場合には、ＧＰＳによって提供されるような地理的なマッピング情報を使って、モビリティ予測分析の結果を補足または確認するようにしてもよい。
【００４９】
現段階まで、モビリティ予測の好ましい代替的方法、即ち決定論的方法、統計的方法、適応的方法の３つを説明した。このうち、適応的方法は特に正確な結果を提供可能である。一般的に、決定論的方法は、移動ノードの物理ネットワーク層（レイヤ２）プログラミングのＭＡＣ部で判定された信号強度Ｓと、移動ノードのネットワーク層（レイヤ３）プログラミングで特定されたパケットレイテンシτの間に関数関係が存在するという認識に基づいている。Ｓは、基地局と移動ノード間の距離ｄの関数として変化することが知られている。このように、決定論的なアプローチは、レイテンシτ、距離ｄの他に、送信電力、チャンネル帯域幅、アンテナ定数、付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ：additive  white  Gaussian  noise）などの他のパラメータといった過去のサンプルの値からパケットレイテンシの未来値を予測するのに用いることができるパラメータ間の数学的な関係を提供する。
【００５０】
統計的なアプローチは、通常、レイヤ２信号強度Ｓとレイヤ３のパケットレイテンシτはどちらも統計的な処理であり、各々Ｓ（ｔ）およびτ（ｔ）（ｔは時間）であるという認識に基いている。よって、在来型の最小平均二乗（ＬＭＳ：least  mean  squares）アプローチを、過去のパケットレイテンシのサンプルの値からレイヤ３のパケットレイテンシの未来値を予測するのに用いることができる。
適応的方法も、通常、予め測定されたレイヤ３のパケットレイテンシτの値を使う。この方法も、在来型の最小平均二乗アルゴリズムを誤り状態フィードバックと共に使って、パケットレイテンシτの現在値および数個の予め測定されたパケットレイテンシτに基づいてパケットレイテンシτの未来値の最小平均二乗誤差予測値を求める。
【００５１】
好ましくは、最適なネットワーク接続の評価と選択を容易にするために、移動ノードは、自装置が周期的なビーコンパケットを受信する基地局のうち、すべて或いは少なくとも有効な数の基地局についてのサンプル値を受信して記録する。通常、各ビーコン信号の周期は１００ミリ秒程度であり、最高１０サンプルでかなり正確なモビリティ予測結果が得られることがわかっている。好ましくは、移動ノードは、自装置がサンプルを受信して記憶する各基地局に関してモビリティ予測を実行する。
【００５２】
まず、レイヤ２の変数とレイヤ３の変数の関係が分析される。この分析の目的は、レイヤ２で測定された信号強度およびレイヤ３で測定されたパケットレイテンシの値に焦点を当てて、一方のレイヤの他方のレイヤに対するこれらの変数のマッピングのための数学式を定式化することである。ここで、Ｓ（ｔ1），Ｓ（t2），  ．．．．，Ｓ（ｔn）が、時刻ｔ0，ｔ1，．．．．．，ｔnにおける、レイヤ２で測定されたビーコン信号のｎ＋１個の連続したサンプルだと仮定する。また、τ（ｔ1），τ（t2），  ．．．．，τ（ｔn）が、時刻ｔ0，ｔ1，．．．．．，ｔnにおける、レイヤ３で測定されたパケットレイテンシのｎ＋１個の連続したサンプルだと仮定する。パケットレイテンシτは、隣接のルータまたは基地局から移動ノードに対して送信されるビーコンパケットのレイテンシを表す。パケットレイテンシτは、基地局と移動ノード間の無線接続性の品質を示す指標だとみなすことができる。
【００５３】
理論的な且つ実験的な分析により、パケットレイテンシτと信号強度Ｓ間には関数関係が存在していることが確認されている。この関係は、式τ＝ｆ（Ｓ）で表される。この関係を用いて、信号強度Ｓの周知の統計的モデルに基づいて、パケットレイテンシτの統計的なモデルを構築することができる。Ｐeが、ビット誤り率から推定可能なパケット誤りの確率、つまり、パケットが破損していて再送信が必要な確率を示している場合、即ち、
【数１】
0003764902.tif 000002
・・・・・（１）
ここで、Ｅは送信者つまり基地局から受信者つまり移動ノードまでのパケット送信が成功するまでに必要な送信試行の予測値である。即ち、パケットレイテンシτは、
【数２】
0003764902.tif 000003
・・・・・（２）
【００５４】
ここで、Ｔxは、伝搬遅延プラスパケットのサイズ／ビット率で算出されるパケットごとの総送信時間である。また、Ｔprocは、雑処理時間を表す。付加白色ガウス雑音（ＡＷＧＮ）では、ビットまたは記号誤りの発生の確率が、受信された信号対雑音比（ＳＮＲ）の関数となる。このように、ビットまたは記号誤りの確率とＳＮＲの統計的関係は、無線通信理論を適用することにより、ガウスＱ関数で表される。実際、ビットまたは記号誤り発生の確率は、受信したＳＮＲとほぼ反比例しているのは確かである。よって、パケット誤りの確率も、受信されたＳＮＲと反比例している。即ち、
【数３】
0003764902.tif 000004
・・・・・（３）
ここで、γはＳＮＲ、Ｊは定数、Ｓは受信信号電力、Ｂは受信機の帯域幅、そしてＮ0は雑音電力スペクトル密度である。式（２）と（３）を組み合わせると（且つ、パケット間で相対的に一定のはずであるＴprocを無視すると）、Ｓとτは、数学的に以下の関係になる。
【数４】
0003764902.tif 000005
・・・・・（４）
或いは、ＳＮＲで表すと
【数５】
0003764902.tif 000006
・・・・・（５）
【００５５】
好ましい決定論的アプローチについて、図３を参照しながら再度説明すると、移動ノード１３５は、１以上の基地局１５０からのビーコン信号を周期的に受信する。ビーコン信号のフォーマットと内容および移動ノードの物理ネットワーク層レイヤ３プログラミングにおけるビーコン信号の処理は標準であるので、詳細な説明はここでは省略する。通常、ビーコン信号は約１００ミリ秒の周期である。ビーコン信号Ｓの強度または絶対値は基地局と移動ノード間の距離ｄによって変わり、基地局と移動ノード間の距離ｄは時間ｔに対して変化すると仮定されている。移動ノードのネットワーク層レイヤ３プログラミングに含まれているのは、プログラミング２００である。このプログラミング２００は、基地局から移動ノードへの距離のサンプルを多数受信記憶し、数学アルゴリズムを実行して距離のサンプルを基に求めたレイヤ３パケットレイテンシτのサンプルを距離のサンプルに相当する数だけ記憶し、距離のサンプルとパケットレイテンシのサンプルの組み合わせに基いて基地局に係るパケットレイテンシτの未来値を予測する。
【００５６】
しかしながら、ビーコン信号の強度Ｓは、基地局と移動ノード間の距離ｄによってのみではなく、介在する構造、他の基地局による干渉などの他の要因にも影響を受ける点が知られている。したがって、本発明に係る決定論的な予測方法は、自由空間環境（高速フェージングでない）の場合とマルチパスのフェージング環境の場合の無線通信に関して別々に説明する。
【００５７】
まず、自由空間パス損失モデルにおいて、受信した信号強度Ｓは、送信機と受信機間の距離ｄの二乗に反比例している。簡略パス損失モデルは、以下の式によって表される。
【数６】
0003764902.tif 000007
（２≦ｉ≦４、自由空間の場合、ｉ＝２）・・・・・（６）
Ｋは自由空間定数、Ｐtは送信電力、ｆは周波数、ｄは送信機と受信機間の距離、そしてｉは２以上４以下であるというような係数であり、ｉは自由空間では２に等しい。
【００５８】
（６）式を（４）式のＳに代入すると、レイヤ３のパケットレイテンシτのモデルは以下のように求められる。
【数７】
0003764902.tif 000008
・・・・・（７）
βをＪ／Ｋに等しい場合、式（７）は以下の式（８）になる。
【数８】
0003764902.tif 000009
・・・・・（８）
【００５９】
式（８）は、自由空間パス損失環境におけるパケットレイテンシτを、Ｔx、β、Ｐt、ｄ、Ｂ、Ｎ0から推測する。基地局と移動ノード間の距離であるｄを除いて、式（８）のパラメータはすべて移動ノードのレイヤ２またはレイヤ３いずれかのプログラミングから取得可能なシステムパラメータである。このように、決定論的方法においては、ｄを測定により判定し式（８）に代入してτを求める。ｄを測定するには様々な方法が可能である。多数の基地局セルが存在し移動ノードが少なくとも３つの基地局からのビーコン信号を受信しているような場合、相対的なビーコン信号の強度測定結果に基づいた在来型の三角測量技術を使って、各基地局から移動ノードの距離を判定することができる。また、ＧＰＳを使用する方法もある。
【００６０】
式（８）を周期的に連続して解することにより、連続した一連の値τが求められる。そして、標準的な回帰分析を実行してサンプルを統計的に回帰曲線に適合させる。この回帰曲線は外挿されて選択された時点または未来のある時点における１以上のτの値を予測する。回帰分析は比較的簡単な線形回帰でも良いが、線形回帰は簡単に実行できる一方予測結果の正確さで劣る場合がある。より正確な予測値が必要な場合には、より複雑で計算が高度な回帰分析を行ってもよい。サンプルベース、即ち、ｄの測定と対応するτの予測値を周期的に更新し回帰分析を再実行することにより、移動ノードが基地局に対してネットワーク内で移動する場合に基地局に対する移動ノードに係るτの未来値は容易に予測可能である。τの予測に必要な標準時間は約１秒で、１００ミリ秒のビーコン信号のおおよそ１０周期に相当する。しかしながら、要求があれば、より長いまたは短い予測時間フレームを使っても良いが、タイムフレームが長くなるほど、予測値はより不正確になるという点を認識しておく必要がある。
【００６１】
自由空間パスモデルと違って、複数フェージングモデルは信号が伝搬されてくる実際の環境をより現実的に反映する。複数フェージング環境は、レイリーのフェージングのモデルで正確に表現することができる。受信機アンテナにおけるダイバーシチ合成方法を用いない場合、マルチパスフェージングが原因で信号は著しく劣化する。ＣＤＭＡシステムでは、ＲＡＫＥ受信機は、パス合成方法によりパスダイバーシチが得られるように設計されている。最大比合成（ＭＲＣ：maximal  ratio  combining）がＲＡＫＥ受信機でパスダイバーシチを取得する場合のベースとなっている。式（３）によると、
【数９】
0003764902.tif 000010
・・・・・（３）
【００６２】
複数フェージング環境においては、γつまり受信したＳＮＲは、ランダムな変数である。マルチパスダイバーシチの場合のＭＲＣの各ブランチは、ＳＮＲの平均値つまりΓを持っている。即ち、
【数１０】
0003764902.tif 000011
・・・・・（９）
ここで、／α2（’／’は式（９）において’α’の上にある横棒を意味する）は、レイリーのフェージングチャンネルの利得の二乗平均である。αはレイリー分布であり、α2は指数分布である。即ち、ＳＮＲ平均または複数ブランチＭＲＣの／γM（’／’は式（１０）において’γ’の上にある横棒を意味する）は、
【数１１】
0003764902.tif 000012
・・・・・（１０）
【００６３】
したがって、レイリーフェージング環境におけるＲＡＫＥ受信機の場合のパケットレイテンシτの推定値は、以下の式（１１）から求められる。
【数１２】
0003764902.tif 000013
・・・・・（１１）
ここで、／τ（’／’は式（１１）において’τ’の上にある横棒を意味する）は平均のパケットレイテンシ予測値である。式（９）と（１１）を用いると、自由空間フェージングなしの環境の場合の式（８）は、式（１２）のようになる。
【数１３】
0003764902.tif 000014
・・・・・（１２）
【００６４】
好ましい統計的な方法は、式（１）から（８）に表されたものと同一の関係およびモデルを基礎とし、さらに、τ（ｔ）それ自体が統計的なプロセスであると更なる認識に基づいている。ＬＭＳ理論は、過去の統計的値に基づいて予測未来値を求める理論として有名である。このＬＭＳを使って、パケットレイテンシτの予測未来値は以下のように表される。
【数１４】
0003764902.tif 000015
・・・・・（１３）
【００６５】
図４に示すように、統計的方法においては、移動ノード１３５は基地局１５０から到着するビーコンパケットのレイテンシ時間を測定することによりサンプル時間の間レイテンシ値τのサンプルのセットを取得する。これは、基地局から移動ノードへのビーコンパケットにタイムスタンプを付して送信し、移動ノードにおいて、移動ノードへの到着時間とタイムスタンプが示す時間との差を総パケットレイテンシとして測定することにより可能となる。サンプルのレイテンシ値τは、基地局と移動ノードを慎重に同期化させることにより求めることができる。このように、移動ノード１３５は、サンプルのレイテンシ値τ（ｔ0〜ｔn）を求め、メモリ３００に格納する。複数のレイテンシ値τのセットは相関コンピュータ３３０に入力され、このコンピュータ３３０は在来型の線形ＬＭＳ技術を用いて推定係数Ｋ0を与える。推定係数Ｋ0は、在来型の線形合成器３５０に入力され、この線形合成器３５０はサンプルのレイテンシ値τに推定係数Ｋ0を適用して、在来型のＭＭＳＥ技術によって未来時刻インデックスｔn+1における基地局に係る予測レイテンシ値τを生成する。予測した未来レイテンシ値τは、予め設定された閾値と比較され、必要な動作をトリガするか、或いは前述のように、移動ノードのネットワーク接続を最適化するのに使われる。決定論的方法に関連して説明したレイテンシτの予測の際の距離の測定と時刻インデックスの選択に関する考慮事項は、統計的方法にも適用される。
【００６６】
さらに、統計的方法は、過去の時刻インデックスにおけるサンプルのレイテンシ値τに在来型のＬＭＳを適用することによってτ（ｔｎ＋１）は予測可能だという前提に基いている。式（１３）の解は以下の式で与えられる。
【数１５】
0003764902.tif 000016
・・・・・（１４）
【００６７】
式（１３）と（１４）で表される二乗平均誤差を最小にする独自の方法がある。
【数１６】
0003764902.tif 000017
・・・・・（１５）
ここで、Ｒτは自己相関行列、即ち、Ｒτ＝Ｅττ*であり、Ｒττｔｎは、相互相関行列、即ち、Ｒττｔｎ＝Ｅττｔｎ*である。
【００６８】
予測の計算量は、基地局と移動ノード間の経時距離ｄ（ｔ）がマルコフ過程だと仮定した場合には削減することができる。つまり、離散的な時間間隔において測定されたｄ（ｔ）の複数の値がマルコフ鎖を形成すると仮定した場合である。ｄ（ｔ）がマルコフ鎖を形成する場合、レイテンシ値τ（ｔ）もまたマルコフ鎖を形成する。これは、τ（ｔ）が式（８）と（９）に示すようにｄ（ｔ）に基いて判定可能だからである。式（１６）に示すように、マルコフ鎖において、過去の状態Ｘ0，Ｘ1，．．．，Ｘn-1および現在の状態Ｘnの値の場合の状態Ｘn+1の未来値の条件付分布は、過去の状態には依存せず現在の状態にのみ依存していることがわかっている。即ち、
【数１７】
0003764902.tif 000018
・・・・・（１６）
【００６９】
式（１３）は、未来レイテンシ値τ（ｔn+1）は、現在および過去のレイテンシ値τ（ｔn），τ（ｔn-1），．．．，τ（ｔ0）に基づいて予測可能である。好ましい統計的なモビリティモデルは厳密に言えばマルコフではないが、過去のレイテンシ値τは現在のレイテンシ値τよりも、未来レイテンシ値τとの間でかなりの程度において無相関であることがわかっている。この点を考慮すると、未来レイテンシ値τ（ｔn+1）は、現在のレイテンシ値および数個の過去のレイテンシ値τ（ｔn）、τ（ｔn-1）およびτ（ｔn-2）に基づいて予測可能である。このように、式（１３）は、以下のように表すこともできる。
【数１８】
0003764902.tif 000019
・・・・・（１７）
【００７０】
この予測モデルの場合、未来レイテンシ値τは以下のアルゴリズムを使って十分正確に予測することができる。
【数１９】
0003764902.tif 000020
・・・・・（１８）
【００７１】
最後に、適応的予測方法の一形態が図５に図示されている。決定論的および統計的方法と同様に、適応的方法は、好ましくは、移動ノードのレイヤ３ネットワーク層プログラミングにおいて実行される。統計的な方法のように、適応的予測方法は、レイヤ３のパケットレイテンシのサンプルのみに基づいてモビリティを予測する。
【００７２】
有利な点としては、適応的予測方法では下位層のレイヤ２の処理に基づいた信号強度と距離の測定は不要であり、いかなるシステムパラメータにも依存しない。移動ノードは、パケットレイテンシτのサンプルτ（ｔ0）からτ（ｔn）の連続したセットをサンプル時間の間、好ましくは約１秒の間、周期的に判定する。好ましい形態において、１０個の１００ミリ秒周期の基地局ビーコン信号から得られた１０個のサンプルを使えば十分であることがわかっている。サンプルレイテンシ値τは、統計的方法の一形態に関連して既に説明したのと同一の方法で適切に取得することができる。取得されたサンプルは、好ましくはメモリ５００に格納される。新サンプルがひとつ判定されると、メモリ５００に格納されている最も古いサンプルと置き換えられる。サンプルは、メモリから適応予測器５２０に逐次入力される。適応的予測器５２０は、在来型のＬＭＳ技術を使ってサンプルの重み係数を反復計算することにより、サンプルτ（ｔ0）からτ（ｔn）を基に予測された未来値τ（ｔn+1）を生成する。τ（ｔn+1）の予測値は加算器５３０に入力され、ここで、続いて判定された実際のτ（ｔn+1）のサンプルの値に加算されて誤り信号ｅτ（ｔn+1）を生成する。誤り信号は適応予測器にフィードバックされ、それに従って重み係数が調整される。
【００７３】
適応的予測方法では、以下の３つのモデルが利用可能である。
【数２０】
0003764902.tif 000021
・・・・・（１９）
ここで、τD＝ｆ（ｄ）、ｄest＝ｆ-1（τ）、Δｄ＝ｄtn−ｄtn-1であり、ω0、ω1、ω2、は重み係数である。
【数２１】
0003764902.tif 000022
・・・・・（２０）
【数２２】
0003764902.tif 000023
・・・・・（２１）
ここで、Δ0＝ｔn−ｔn-1であり、Δ1＝ｔn-1−ｔn-2である。
式（１９）は、最も複雑な演算を要する。式（８）および（１２）に示すように、パケットレイテンシτと基地局と移動ノード間の距離ｄには決定論的な関係があり、略式でτD＝ｆ（ｄ）で表される。このように、τD（ｄest＋Δｄ）は式（８）または（１２）のいずれかを逆方向に解くことにより得られる。式（２０）は、式（１９）より簡単であり、現在および２つの過去のパケットレイテンシサンプルを使う。式（２１）は、さらに簡単である。
【００７４】
重み係数ω1、ω2、ω3は、ＭＭＳＥ（最小平均二乗誤差）技術により取得できる。このように、重み係数ω1、ω2、ω3のセットは時間関数であり、過去の重み係数のセットおよび誤りフィードバックに基づいて判定される。この誤りフィードバックは、予測されたレイテンシと実際測定されたレイテンシの差分である。例えば、式（１９）の場合の最適な重み係数ω1、ω2、ω3は、以下のアルゴリズムで表される。
【数２３】
0003764902.tif 000024
・・・・・（２２）
μは、式（２２）の適応化のスピードと安定性を調整する利得定数である。大きなμは、重み係数が反復の度に大きめに調整されるので、適応化を加速する。経験的に、μ＝０．０５がμの最適値だと判定されている。
【００７５】
決定論的方法および統計的方法によって生成された予測未来値τの場合と同様に、適応的予測方法によって生成された予測未来値τは、予め定められた閾値と比較される。この比較の結果、新しいネットワーク接続を開始してハンドオフの前に新しいパケットルートを予め設定したり、あるいは、ハンドオフの前に必要な認証およびセキュリティ処理を前もって開始するなどの、移動ノードが要求する動作がトリガされる。予測未来値τが移動ノードがビーコンパケットを受信している複数の基地局に関して計算された場合、次のサンプル周期に最も低い予測値τを持つ基地局にネットワーク接続を切り換えることにより、移動ノードのネットワーク接続を最適化することができる。
【００７６】
本明細書においては、好ましいモビリティ予測方法がレイヤ３ネットワーク層のパケットレイテンシを予測すべき変数として説明したが、これらの予測方法をレイヤ２のネットワークリンク層のモビリティに関連する変数、例えば、信号対干渉比（ＳＩＲ）、信号対雑音比（ＳＮＲ）、およびパイロット信号強度などに要求された場合または必要な場合において適用可能であり、本願明細書に挙げたモビリティ予測方法によりこれらの変数の値を予測可能だということは、当業者にとって明らかであろう。
【００７７】
以上の説明は、本発明の好ましい実施の形態である。前述の説明は一例であり、本来限定するものではない。本発明の新規性と有利な特徴を保ちながら、且つその精神から逸脱しない範囲において、様々な変更および追加が可能であることは、当業者も理解できよう。従って、本発明の範囲は正しく解釈された添付のクレームによってのみ定義される。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ハンドオフの際のルートの迅速な事前確立およびパケットレイテンシの削減が可能になる。また、重複するセル環境において最良の基地局を選択することによりサービスの品質を最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が動作するように意図されたネットワークであって、第３世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネットワークの図である。
【図２】  モバイルＩＰを用いた、第３世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネットワークにおける移動ノードのモビリティとネットワークアクセスポイントのハンドオフの簡略型図式表示である。
【図３】  第３世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネットワークにおける決定論的モビリティ予測方法の一形態の動作を示す機能図である。
【図４】  第３世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネットワークにおける統計的モビリティ予測方法の一形態の動作を示す機能図である。
【図５】  第３世代の無線の移動体アクセスのインターネットプロトコルベースのデータネットワークにおける、適応的モビリティ予測方法の一形態の動作を示す機能図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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