Comments
Description
Transcript
IPベース移動制御技術
次世代移動通信 第４世代移動通信技術 IP モビリティ 特 集 IPベース移動制御技術 おかじま いちろう いのうえ まさひろ 岡島 一郎 /井上 雅広 おおまえ こ う じ たかはし ひであき 大前 浩司 /高橋 秀明 うめだ 第４世代移動通信システムにおいて携帯電話等の移動ノードのモビリティを なるみ 梅田 成視 実現するIPベース移動制御技術のアーキテクチャおよび要素技術を紹介し NTTドコモ ます． IPベース移動制御技術 IPベース移動制御アーキテクチャ ません． ■構成とプロトコルスタック NT Tドコモは，ブロードバンド移動 ここでは，4Gシステムが移動制御 移動制御は，原理的にリンク層から 通信サービスを提供する第４世代移動 に課す要求条件を述べた後，これらを アプリケーション層までの任意の層の 通信システム（ 4Gシステム）の実現 満足する制御アーキテクチャを提案し 制御として実現されます．しかしリン を目指し，その要素技術であるIPベー ます． ク層による移動制御は，その適用範囲 ス移動制御技術の研究を進めていま ■要 求 条 件 が同一種類のリンク上に制限されるた す．IPベース移動制御は，4Gシステ ＊ ムにおいてハンドオフ しながら移動す 移動制御への主要な要求条件は次 のとおりです． め要求条件 ③を満たせません．またト ランスポート層やアプリケーション層に る 携帯電話，PDA（Personal Digital ① 高いパケット通信品質 よる移動制御は，複数種類存在する Assistant） ，ノートP C等の移動ノード 多様なアプリケーションをサポート トランスポート層プロトコルやアプリ が送受信するパケットのエンド・ツー・ するため，パケットの伝送遅延，伝送 ケーション層プロトコルがそれぞれ独 エンドの到達性をIP（Internet Pro- 遅延変動，およびロス率の少ない良好 立して移動制御を行う必要があり，制 tocol）層の制御として実現する技術 なパケット通信品質を実現しなければ 御信号量が増加するため要求条件② です．本制御技術により，移動ノード なりません． を満たせません．これに対してIP層に は，4Gシステム上を自由自在に移動 ② 少ない制御コスト よる移動制御は，IP層が多様なリン しながら新たな通信を開始し通信を継 有線リンクと比較して通信帯域幅の ク層，トランスポート層およびアプリ 続できる能力，すなわちモビリティを 狭い無線リンクを効率的に利用するた ケーション層に共通したプロトコルで 得ることができます．本稿では，「IP め，移動制御に伴う無線リンク上の制 あることから，要求条件 ②および③を ベース移動制御アーキテクチャ」を示 御信号量をできる限り少なくしなけれ 満足します．さらに，ハンドオフに伴 した後，主要素である「複数アクセス ばなりません． う無線リンクの瞬断やパケット転送経 切替制御」「通信状態移動制御」お ③ シームレスモビリティ 路更新処理の遅れ等のパケット通信 よび「待受状態移動制御」を紹介し 4 G セルラ無 線 リンクだけでなく， 品質の劣化要因に対処することにより ます． ＊ ハンドオフ：移動ノードがネットワークとの接 続ポイントを変更する動作．ハンドオーバと同 じ意味． IEEE802.11等のほかの無線リンクや 要求条件 ①も満たすため，最終的に イーサネット等の有線リンクにも対応 すべての要求条件を満足します．広大 した移動ノードをサポートするため， なアドレス空間により非常に多くの移 リンクの種類に左右されないシームレ 動ノードをサポートできるIPv6を前提 スなモビリティを実現しなければなり としたIPベース移動制御技術の構成 NTT技術ジャーナル 2004.7 29 第４世代移動通信技術 相手ノード ホームエージェント インターネット ページングエージェント モビリティアンカーポイント IPネットワーク ルータ 4Gセルラ無線リンク用 無線機内蔵ルータ 4Gセルラアクセスポイント IEEE802.11 アクセスポイント 移動ルータ 移動 IP ネットワーク 移動ノード アプリケーション群 アプリケーション群 TCP/UDP TCP/UDP HMIP−Bv6/IPPv6 MIM 802.11 4G MN IPv6 HMIP−Bv6 IPv6 IPPv6 IPv6 MIPv6 IPv6 IPv6 4G リンク リンクリンク リンクリンク リンクリンク リンクリンク リンクリンク リンクリンク リンクリンク リンク 4G−AP ルータ群 MAP ルータ群 PA ルータ群 HA ルータ群 CN … … … … 図１ IP ベース移動制御技術の構成とプロトコルスタック とプロトコルスタックを図１に示します． 信状態にある移動ノードが，ハンドオ 時のパケットの転送経路の更新処理の MIM（Multiple Interface Man- フの際にバッファリング機能を備えた 頻度を低減する制御です． agement）は，移動ノードが備える MAP（Mobility Anchor Point）を 複数種類のアクセスの中から，ユーザ 使用することにより，低ロス率かつ低 の嗜好に適合したアクセスを上位プロ 伝送遅延の IPパケット通信を実現す トコルに提供するとともに，使用しな る移動制御です． いアクセスのパワーマネジメントを行 IPPv6（ IPv6 Paging Protocol） 複数アクセス切替制御 ここでは，複数種類のリンク層の切 替制御に対する要求条件を整理した 後，NT Tドコモの提案するMIMを概 う移動ノード上の複数アクセス切替制 は，PA（Paging Agent）が待受状 説します． 御です． 態にある移動ノードの位置をエリア単 ■要 求 条 件 HMIP-Bv6（ Hierarchical Mobile 位で管理するとともに，パケットの到 IPv6 with Buffering at MAP）は，通 着を通知することにより，ハンドオフ 30 NTT技術ジャーナル 2004.7 複数アクセス切替制御への主な要求 条件は次のとおりです． 特 集 MIM GUI アプリケーションプロトコル TCP/UDP HMIP−Bv6/IPPv6 ユーザ プリファレンス 情報 MIM 最適NIC選択機能 IEEE802.11 NIC IEEE802.11 リンク 4Gセルラ NIC 4Gセルラ リンク IEEE 802.11 AP IPパケット イーサネット NIC イーサネット リンク 4G セルラ AP LAPI イーサネット ハブ MIM内情報 図２ MIMの構成 ① ユーザの希望に応じたNIC選択 リンク層プロトコルを備えた通信イ ノードに実装されます． ① ユーザプリファレンス情報 で，バッテリーセービングを実現しま す．本機能は，リンク層と上位層 の間 ンタフェース装置であるNIC（Net- MIM GUI（ MIM Graphic User で制御や情報交換を行うための内部手 work Interface Card）の低廉化や Interface）を介して入力されたユー 順であるLAPI（Link layer Application 高集積化に伴い，今後は１つの移動 ザの嗜好（プリファレンス）を保持す Programming Interface） を用いて， ノードが複数のNICを搭載することが るデータベースです．プリファレンス NICの通信可否状態の検出，上位層 予想されます．複数アクセス制御は， には，伝送速度優先，通信品質優先， への通信可能NICの通知，使用しない 各NICの通信可否状態を判定し，最 通信コスト優先などがあります． N I C の電源オフを行います．例えば (2) 適なNICをユーザの希望に応じて選択 ② 最適NIC選択機能 ユーザプリファレンスが伝送速度優先 できなければなりません． 移動ノードに搭載された複数のNIC の場合には，通信可能なNICの中か ② バッテリーセービング の通信可否状態を周期的に検出し， らもっとも伝送速度の速いリンク層に 移動ノードのバッテリーセービング 通信可能なNICの中からユーザの嗜好 対応したNICを選択します． のために，効率的に各NI Cの消費電力 にもっとも合致するものをユーザプリ 管理を行えなければなりません． ファレンスに従って選択し，選択した ■MIMの構成 NICを上位層の通信に提供する機能 ここでは，通信状態における移動制 です．さらに，選択したNIC以外の使 御に対する要求条件を整理し，NT T 用しないNICの電源をオフにすること ドコモの提案するHMIP-Bv6を，その 前記要求条件を満足するMIMの構 (1) 成を図２に示します ．MIMは移動 通信状態移動制御 NTT技術ジャーナル 2004.7 31 第４世代移動通信技術 表 音声通信品質評価結果 評価項目 要求条件 (12) MIPv6 シミュレーション HMIPv6 実 験 シミュレーション HMIP-Bv6 実 験 シミュレーション 実 験 ハンドオフ１回当りのパケットロス 3 16.24 17.66 12.93 14.38 0.00 0.00 パケットロス率（%） 0.1 1.02 1.10 0.81 0.90 0.00 0.00 伝送遅延変動（ms） 50 0.00 2.91 0.00 2.99 21.02 28.60 伝送遅延（ms） 400 111.87 108.94 111.87 108.94 111.88 109.54 要求条件不満足 オフ時更新処理を高速化する機能であ HAの拡張で実現されます． 評価結果とともに紹介します． ■要 求 条 件 通信状態移動制御への主な要求条 ① エージェント発見機能 り，パケットの伝送遅延時間を低減し エージェント発見機能は，移動ノー ます． ドがMAPを動的に発見する機能です． 件は次のとおりです． ① 移動ノードおよび移動ネットワー これにより移動ノードは，IPネットワー ■HMIP-Bv6の評価 シミュレーションおよび実験による ク上に存在する複数のMAPに関し， MIPv6，HMIPv6，HMIP-Bv6のパ 単独の移動ノードのモビリティはも 各MAPと移動ノードの現在位置との ケット通信品質評価結果を紹介します． とより，電車，バスなどの移動体とと 距離や各MAPのパケット転送処理の (1) もに集団で移動する移動ノードから構 負荷状態などを比較しながら最適な ① 評価項目 成された移動ネットワークのモビリティ M A P を選 択 できます． 本 機 能 は， 図４のネットワークモデルにおいて， クのモビリティ 評価方法 (7) ADP（Agent Discovery Protocol） 相手ノードから移動ノードへ音声また ② 導入の容易性 として定義され，待受状態移動制御 はデータを送信した場合の移動ノード 4Gシステムを迅速に，かつ低コス で後述するようにPAの発見にも使用 における通信品質を，次の項目により トで展開するために，装置の導入は容 されます．なお本機能の使用において 評価しました． 易でなくてはなりません． は，移動ノードやルータにMAPやPA も実現しなければなりません． ・VoIP音声通信：ハンドオフ１回 ③ 高いパケット通信品質 に関する情報を設定する必要がなく， 当りのパケットロス数，パケット 多様なアプリケーションにおいて，ハ IPネットワークへのMAPやPAの設置 ロス率，伝送遅延変動，平均伝 が容易となります． 送遅延 ンドオフ時の通信品質劣化を抑えるた めに，音声などリアルタイム系通信に ② MA Pバッファリング機能 おいては表の要求条件を満たし，デー MA Pのバッファリング機能は，移 タ通信においてはハンドオフ時のスルー 動ノードのハンドオフ中にMAPに届 ② ネットワークモデル プット低下を抑えなければなりません． いた移動ノード宛 パケットをバッファ 本ネットワークモデルでは，相手ノー ■HMIP-Bv6の構成 リングし，パケットロスを防止します． ド，H Aおよび IP ネットワークがイン 図３に，ハンドオフ時のHMIP-Bv6の ターネットを介して相互に接続され， 動作を示します． IPネットワーク内にはMAPおよび複数 (3) 従 来 のMIPv6（ Mobile IPv6） や HMIPv6（ Hierarchical Mobile (4) ・F T Pデータ通信：ファイル転送の 所要時間 IPv6） は，移動ノード宛パケットを ③ サブネットプレフィクス管理機能 のルータが配置されており，移動ノー HAおよびMAPが転送することでモビ HAおよびMAPにおいて移動ネット ドはルータ間をハンドオフします．イ リティを実現していましたが，ハンド ワークが使用するすべてのサブネット ンターネットおよびIPネットワーク内 (8) オフに伴ってバースト的なパケットロ プレフィクスを管理する機能です ． のパケット伝送遅延値は，それぞれ スを発生するなど，上記の要求条件を これにより，移動ネットワーク内の全 (9) (10) 5 0 ms ，10 ms です． 満たしてはいませんでした．これを受 ノードのモビリティを実現します． けて，HMIPv6に次の機能を付加し (5),(6) ④ 高速移動検知機能 ③ トラヒックモデル 上記ネットワークモデルにおいて， ．次 移動ノードがパケットの転送先とし 相手ノードから移動ノードへ送信した の機能は，移動ノード，MAPおよび て使用するCare-of Addressのハンド 音声，データのトラヒックモデルは次 たHMIP-Bv6を提案します 32 NTT技術ジャーナル 2004.7 特 集 移動ノード ルータ１ MAP HA CN ハンドオフ条件発生 Binding Update（バッファリング ON） Binding Acknowledgement リンク層ハンドオフ処理 Care−of Address更新処理 パケット バッファリング 処理 ルータ２ Binding Update（バッファリング OFF） Binding Acknowledgement バッファリングされた データパケットの送信 データパケット 制御パケット 図３ HMIP-Bv6の動作 のとおりです． ・音声トラヒック：パケットレート 毎秒 50パケット，IPパケットサイ インターネット 伝送遅延：50 ms (11) ズ80バイト HA ・データトラヒック：５メガバイト MAP のファイルのFTPを用いたダウン IP ネットワーク 伝送遅延：10 ms ロード (2) 相手ノード ルータ 評価結果 音声通信における通信品質の評価 結果および要求条件を表に示します． MAPのパケットバッファリング効果に 移動ノード より，ハンドオフ１回当りのパケット ロス数 ， およびパケットロス率 は 図４ ネットワークモデル HMIP-Bv6だけが要求条件を満たし ていることが分かります．また平均伝 フ周期が８秒，16秒，32秒であるそ かし，HMIP-Bv6の場合は，ハンドオ 送遅延はいずれの方式も要求条件を満 れぞれの場合においてダウンロード時 フ頻度によらずほぼ一定のダウンロー たしています． 間を測定した結果，実験系とシミュ ド時間を示しています．HMIP-Bv6で データ通信における通信品質の評価 レーションでは同様の傾向がみられま はダウンロード速度低下の最大要因で 結果を図５に示します．各方式につい した．MIPv6または HMIPv6につい あるTCPデータセグメントのロスが生 て，移動ノードがハンドオフを行わな ては，ハンドオフ頻度が上昇するにつ じないため，ダウンロード時間はハン い場合，および移動ノードのハンドオ れダウンロード時間は長くなります．し ドオフの影響を受けません． NTT技術ジャーナル 2004.7 33 第４世代移動通信技術 待受状態移動制御 ここでは，待受状態の移動制御に対 ページングエリア形成機能を持ったPA ノードの位置を管理する機能です．移 の中からもっとも近いPAを動的に発見 動ノードが１つのページングエリア内 します． で移動する限り，経路更新処理が不 する要求条件を整理し，NT Tドコモ ② 待受状態移行判定機能 要なため，通信状態移動制御よりも制 の提案するIPPv6を，その評価結果 移動ノードが無通信状態の継続時 御パケット数が低減します． とともに紹介します． 間を待受状態移行タイマにより監視し ④ ページング機能 ■要 求 条 件 て，待受状態への移行を判定する機 図６(b)が示すように，PAが移動ノー 能です．待受状態移行タイマは，移動 ド宛 パケットを受信したことをページ ノードの通信特性や移動特性に合わ ングエリア内に通知し，移動ノードが せて最適化します． 通信状態へ移行する機能です． 待受状態移動制御への主な要求条 件は次のとおりです． ① 制御信号量の低減 移動ノードはパケットを送受信して ③ ページングエリア形成機能 ⑤ パケットバッファリング機能 いない状態（無通信状態）で，通信 図６(a)が示すように，待受状態に ページング機能によって移動ノード 状態の移動制御よりも制御パケット数 なると移動ノードの移動特性や通信特 にパケットの到着を通知している間， を低減しなければなりません． 性に応じて最適なページングエリアを P Aが移動ノード宛のパケットをバッ 形成し，ページングエリア単位で移動 ファリングする機能です．これにより ② スムーズな通信再開 いつでも高いパケット通信品質で通 信を再開できなければなりません． ■IPPv6の構成 （秒） 120 実験 前述の要求条件を満足する待受状 態移動制御としてI P P v 6 を提案しま す (13) シミュレーション 100 ハンドオフなし 32秒周期 16秒周期 ８秒周期 ダ ウ 80 ン ロ 60 ー ド 時 40 間 20 ．IPPv6は，次の機能により構 成され，移動ノードとPAに実装され ます． ① PA 発見機能 移動ノードが待受状態において使用 0 するPAを発見する機能です．移動ノー MIPv6 HMIPv6 HMIP-Bv6 図５ データ通信品質評価結果 ドは，前述のA D P を用いて希望する HA インターネット インターネット IP ネットワーク ①受信パケット到着 ⑥エリア登録要求 PA ルータ ②エリア登録 要求 IP ネットワーク ②パケット バッファリング ③ IP ページング PA ④ IP ページング応答 ⑤パケット転送 ルータ ルータ 4G-AP 802.11AP 4G-AP 802.11AP 4G-AP 4G-AP 移動ノード ①パケット未送受信状態 ③ AP 間遷移 （送信不要） ④サブネット間遷移 （送信不要） ⑤ページングエリア 間遷移 (a) 待受状態移行動作 (b) ページング動作 図６ IPPv6の動作 34 NTT技術ジャーナル 2004.7 移動ノード ページングエリア 特 集 Services，”Feb. 2002. (13) 井上・岡島・梅田：“IPベース移動通信シス テムにおけるIPページングの検討，”電子情 報通信学会 RCS研究会，RCS2004-3，April 2004. 1.4 ７ サブネット 19サブネット 37サブネット 61サブネット 1.2 セッション発生間隔＝1 800 s 1 制 御 パ 0.8 ケ ッ ト 数 0.6 ︵ 正 規 化 0.4 ︶ 0.2 0 20 60 121 181 ハンドオフ周期 244 （s） 図７ IPPv6による制御パケット数低減効果のシミュレーション評価結果 パケットロスのない転送が可能となり ます． ■IPPv6の評価 IPPv6による制御パケット数低減効 果のシミュレーション評価結果を図７ に示します．ページングエリアを構成 するサブネットの数と移動ノードのハ ンドオフ周期をパラメータとしたときの 制御パケット数を示しています．制御 パケット数は，通信状態移動制御だけ の場合の制御パケット数で正規化され ています．なお，移動ノードの通信セッ ションは，平均30分間隔の指数分布 で発生させています．IPPv6は，移動 ノードのハンドオフ周期が短くなるほ ど，つまり移動ノードが頻繁に移動す るほど，制御パケット数を低減します． さらに，ページングエリアを構成する サブネットの数が多いほど，制御パ ケット数を低減します．例えば，ペー ジングエリアが７サブネットで構成さ れハンドオフ周期が平均 20秒ならば， IPPv6は制御パケット数を半減します． ■参考文献 (1) 池田・岡島・梅田：“IPベース移動通信シス テムにおけるリンクマネージャ，”2001信学 ソ大，B-5-58，Sept. 2001. (2) 小林・井上・岡島・梅田：“IPベース移動通 信システムにおけるリンク層に共通化した制 御情報交換方式の検討，”2003信学ソ大，B-5128，Sept. 2003. (3) D.Johnson， C.Perkins， and J.Arkko： “ Mobility Support in IPv6，” draft-ietfmobileip-ipv6-24.txt，June 2003. (4) H. Soliman，C.Castelluccia，K.El Malki，and L.Bellier：“Hierarchical Mobile IPv6 mobility management（HMIPv6），”draft-ietf-mobileiphmipv6-08.txt，June 2003. (5) 大前・岡島・梅田：“階層型Mobile IPv6拡張 方式の提案および特性評価，”電子情報通信 学会IN研究会IN2001-178，Feb. 2002. (6) H.Takahashi，R.Kobayashi，I.Okajima，and N.Umeda：“Transmission Quality Evaluation of Hierarchical Mobile IPv6 with Buffering Using Test Bed，”Proceedings of IEEE VTC 2003 Spring，April 2003. (7) 大前・井上・岡島・梅田：“階層型IPモビリ ティ制御方式における階層エージェントの自 律 的 発 見 法 ，” 2 0 0 3 信 学 総 大 ， B - 5 - 1 1 6 ， March 2003. (8) I.Okajima， N. Umeda， and Y.Yamao： “Architecture and Mobile IPv6 Extensions Supporting Mobile Networks In Mobile Communications，”Proceedings of IEEE VTC 2001 Fall Volume 4，Oct. 2001. (9) http://average.matrix.net/ (10) http://www.iij.ad.jp/ (11) ITU-T Recommendation G.729 Annex A： “Reduced complexity 8kbit/s CS-ACELP speech codec， ”Nov. 1996. (12) ITU-T Recommendation Y.1541：“Network Performance Objectives for IP-Based （上段左から）岡島 一郎/ 井上 雅広 （下段左から）大前 浩司/ 高橋 秀明/ 梅田 成視 4Gシステムにおける移動ノードのモビリ ティを実現するため，複数アクセス切替制 御，通信状態移動制御，待受状態移動制御 から構成され，高いパケット通信品質，少 ない制御コスト，シームレスモビリティな どの各種要求条件を満足したIPベース移動 制御技術を提案しました．今後は，すべて の要素技術を実装したテストベッド上で総 合的な評価を行うとともに，国際標準化に 取り組んでいく予定です． ◆問い合わせ先 NTTドコモ ワイヤレス研究所 通信方式研究室 TEL 046-840-3759 FAX 046-840-3789 E-mail [email protected] NTT技術ジャーナル 2004.7 35