JP5288561B2 - フェムトセル間のハンドオフ方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、フェムトセルを収容するアクセスネットワークを含む複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するフェムトセル間のハンドオフ方法およびシステムに関する。

フェムトセルなどの小型基地局を用いたモバイルネットワークでは、コアネットワークに存在するIMS(IP Multimedia Subsystem)と、フェムトセルを収容するアクセスネットワークという複数の呼制御ネットワークが存在する。フェムトセルの標準接続形態では、ユーザ端末間のデータ通信(例えばVoIPなど)における相手端末の検索にはSIP(Session Initiation Protocol)ベースのIMSが用いられる。IMSはコアネットワークに配置されるので、全ての呼制御メッセージがコアネットワークを経由しなければならなくなり、コアネットワークの負荷増加が懸念される。

これを解決するために、フェムトセル間でP2PベースのSIP(P2P-SIP)によりオーバレイを構築し、一定時間内で相手端末の検索が完了すると推測される場合にはオーバレイを利用し、それを超えてしまう場合にはIMSを利用する技術が非特許文献１に開示されている。また、このようなモバイルネットワークにおけるハンドオフ手順が非特許文献２に開示されている。

蕨野他, "ミニマム・コアを実現するコア・オーバレイ連携セッション制御方式", 信学会2009 年総合大会, B-6-101, 2009. 千葉恒彦、横田英俊、"プロキシ型MOBIKEを用いたハンドオフ方式の提案と評価"、情報処理学会研究報告、Vol.2008 No.107、2008年10月.

フェムトセルなどの小型基地局を用いたモバイルネットワークにおいて、コアネットワークに存在するIMSと複数のフェムトセルで構築される呼制御用オーバレイネットワークなどの複数の呼制御ネットワークが存在するネットワーク環境では、フェムトセル間でハンドオフが発生すると、接続先のフェムトセルの変更に伴ってハンドオフ後にSIP re-INVITEによるIPアドレスの更新が必要となり、ハンドオフ後も同一の呼制御ネットワークで継続管理する必要がある。

しかしながら、複数の呼制御ネットワークをフェムトセルが選択する環境下では、ハンドオフの前後で呼制御ネットワークが変わってしまう可能性があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するネットワーク環境下で、ハンドオフ後も同一の呼制御ネットワークで継続管理できるハンドオフ方法およびシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、フェムトセルを収容するアクセスネットワークを含む複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するフェムトセル間のハンドオフシステムにおいて、各フェムトセルおよびユーザ端末が以下のような手段を講じた点に特徴がある。

(1)各フェムトセルは、ユーザ端末から受信した接続要求に応答して前記アクセスネットワークおよび他の呼制御ネットワークのいずれかを選択する手段と、接続要求に前記選択されたネットワークの識別情報を追記して前記選択された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手段と、ユーザ端末から受信した再接続要求に記述されているネットワーク識別情報に基づいてハンドオフ前の呼制御ネットワークを識別する手段と、接続要求を前記識別された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手段とを具備した。

(2)各ユーザ端末は、受信した接続要求に記述されている前記ネットワーク識別情報を保存する手段と、ハンドオフ時に移動先のフェムトセルへ前記ネットワーク識別情報の記述された再接続要求を送信する手段とを具備した。

本発明によれば、フェムトセルを収容するアクセスネットワークを含む複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するフェムトセル間のハンドオフシステムにおいて、ハンドオフの前後で同一の呼制御ネットワークにより呼制御を継続管理できるようになる。

本発明が適用されるモバイルネットワークの構成を示したブロック図である。 本発明を適用したフェムトセルの機能ブロック図である。 コアネットワーク(IMS)を呼制御ネットワークとして登録する手順を示したシーケンスフローである。 オーバレイネットワーク（アクセスネットワーク）を呼制御ネットワークとして登録する手順を示したシーケンスフローである。 ハンドオフの手順を示したシーケンスフローである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明が適用されるモバイルネットワークの構成を示したブロック図である。

アクセスネットワークNWaは複数のフェムトセルにより構成され、フェムトセル同士およびオーバレイエミュレータはChordベースのP2P-SIPに基づくオーバレイネットワークを構築する。以下、アクセスネットワークNWaをオーバレイネットワークNWaと表現する場合もある。

コアネットワークNWcには、セキュリティゲートウエイ(SeGW)２２およびIMS２３が収容され、オーバレイネットワークNWaの各フェムトセル#1，#2…は、コアネットワークNWcのSeGW２２との間にIKEv2に基づくセキュアなIPSecトンネル２１を確立してIMS２３とセキュアに通信する。

各ユーザ端末UAはIMSクライアントであり、SIPに基づいてVoIP(Voice over IP)の音声データや動画データ等のアプリケーションデータを送受信し、PPP手順の中で認証処理を実行し、さらにはIPアドレスおよびDNSアドレスを取得する。また、アプリケーションデータをフェムトセル間で直接送受信できるようにするために、SIP INVITEおよび200 OKのSDPフィールドを、アクセスネットワークNWa内で通信可能な形式に変換する。

図２は、前記各フェムトセル#1，#2…の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、ここでは本発明の説明に不要な構成は図示が省略されている。

呼制御ネットワーク選択部１１は、ユーザ端末UA#1から受信したSIP INVITEに応答して前記アクセスネットワークNWaおよび他の呼制御ネットワーク（図１では、コアネットワークNWc）のいずれかを選択する。選択結果通知部１２は、後に詳述するように、受信したSIP INVITEのSIP拡張ヘッダに前記選択結果を呼制御ネットワーク情報として追記する。呼制御実行部１３は、前記呼制御ネットワーク情報が追記されたSIP INVITEを前記選択されたネットワーク経由で通信相手のユーザ端末UA#2まで転送する。

このとき、通信相手のユーザ端末UA#2はSIP INVITEから前記呼制御ネットワーク情報を抽出して保存する一方、200 OKに前記呼制御ネットワーク情報を追記してユーザ端末UA#1へ返信する。ユーザ端末UA#1は前記200 OKから呼制御ネットワーク情報を抽出して同様に保存する。これにより、相互に通信するユーザ端末UA#1，UA#2はいずれも呼制御ネットワークを認識できるようになる。

以上のようにしてユーザ端末UA#1，UA#2間に前記選択された呼制御ネットワークを経由する通信経路が確立されたのち、一方のユーザ端末UAが他のフェムトセルのエリアに移動して再接続要求(SIP re-INVITE)を送信する際、そのSIP拡張ヘッダに前記保存した呼制御ネットワーク情報を追記する。

各フェムトセル#1，#2…の呼制御ネットワーク識別部１４は、受信したSIP re-INVITEに追記されている呼制御ネットワーク情報に基づいて、ハンドオフ前の呼制御ネットワークを識別する。前記呼制御実行部１３は、前記SIP re-INVITEを前記識別された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する。

次いで、本実施形態の動作を図３，４，５のシーケンスフローに沿って詳細に説明する。ここでは、ユーザ端末UA#1がフェムトセル#1のエリアに位置し、ユーザ端末UA#2がフェムトセル#3のエリアに位置している状態から説明を始める。

図３の時刻t1においてユーザ端末UA#1が起動され、時刻t2においてユーザ端末UA#1とフェムトセル#1との間に下位リンクが確立されと、時刻t3では、コアネットワークNWcのSeGW２２とフェムトセル#1との間にIPSecトンネル２１が確立される。フェムトセル#1は、ユーザ端末UA#1に割り当てるグローバルIPアドレス(IP#A)をSeGW２２から前記IPSecトンネル経由で取得してユーザ端末UA#1に通知する。

時刻t4では、ユーザ端末UA#1からフェムトセル#1へSIP REGISTER（所在登録要求）が送信される。このSIP REGISTERには、ユーザ端末UA#1のSIP URIおよびコンタクトアドレス(IP#A)が記述されている。フェムトセル#1は、前記受信したSIP REGISTERを時刻t5において前記IPSecトンネル２１およびSeGW２２経由でIMS２３へ転送すると共に、時刻t6において、P2PSIPにより構成されたオーバレイネットワークNWaへも転送してRELOAD(REsource LOcation And Discovery)登録を行う。

時刻t7においてユーザ端末UA#2が起動されると、時刻t8では、上記と同様にしてユーザ端末UA#2とフェムトセル#3との間に下位リングが確立され、フェムトセル＃#2とSeGW２２との間にIPSecトンネル２１が確立されてユーザ端末UA#2のグローバルIPアドレス(IP#B)が取得され、さらにユーザ端末UA#2の所在登録がコアネットワークNWcのIMS２３およびオーバレイネットワークNWaの双方に対して行われる。

その後、時刻t9においてユーザ端末UA#1からユーザ端末UA#2への発信操作がなされると、時刻t10では、ユーザ端末UA#1からフェムトセル#1へSIP INVITE（接続要求）が送信される。このSIP INVITEには、宛先としてユーザ端末UA#2が記述され、SDPフィールドには、メディア伝送で使用したい IP アドレスとしてユーザ端末UA#1のグローバルIPアドレス(IP#A)が記述されている。

前記SIP INVITEを受信したフェムトセル#1では、時刻t11において、当該SIP INVITEが初期INVITEであるか否かが判定される。本実施形態では、ハンドオフ後に再送信されるINVITE(re-INVITE)のみに、ハンドオフ前の呼制御ネットワークを指定する情報（以下、呼制御ネットワーク情報）が記述されており、それ以外の初期INVITEには呼制御ネットワーク情報が記述されていない。したがって、ここではSIP INVITEに呼制御ネットワーク情報が記述されているか否かに基づいて、当該SIP INVITEが初期INVITEであるか否かが判定される。初めは初期INVITEと判定されるので、時刻t12において、呼制御ネットワークとしてオーバレイネットワークNWaおよびコアネットワークNWc(IMS２３)のいずれかが選択される。

本実施形態では、相手端末(UA#2)をオーバレイネットワークNWaで検索する場合の遅延時間および／または接続セッション数と、コアネットワークNWcのIMS２３で検索する場合の遅延時間および／または接続セッション数とが比較され、遅延時間のより短いネットワーク（接続セッション数のより少ないネットワーク）が呼制御ネットワークに選択される。

なお、呼の確立後に送受信されるアプリケーションについては、前記SIP INVITEに暗号鍵が記述されていれば、検索時間に基づいてオーバレイネットワークNwaまたはコアネットワークNWc(IMS２３)が選択され、暗号鍵が記述されていなければコアネットワークNWc(IMS２３)が選択される。ここでは、呼制御ネットワークとしてコアネットワークNWcのIMS２３が選択され、アプリケーションデータの転送ネットワークとしてオーバレイネットワークNWaが選択されたものとして説明を続ける。

呼制御ネットワークとしてIMS２３が選択されると、時刻t13では前記SIP INVITEがフェムトセル#1から前記IPSecトンネル２１およびSeGW２２を中継してIMS２３へ送信され、さらにフェムトセル#3を中継してユーザ端末UA#2により受信される。このSIP INVITEでは、SIP拡張ヘッダに前記呼制御ネットワーク情報として「IMS」が追記されると共に、呼の確立後に送受信されるアプリケーションデータがSeGW２２へ転送されることなく直接フェムトセル間で送受信されるようにするために、SDPフィールドのIPアドレスが前記ユーザ端末UA#1のグローバルIPアドレス(IP#A)からフェムトセル#1のIPアドレス(IP#1)に書き換えられる。

前記SIP INVITEを受信したユーザUA#2は、時刻t14において当該SIP INVITEに記述されている呼制御ネットワーク情報（ここでは、IMS）を保存するとともに、時刻t15において、200 OKに前記呼制御ネットワーク情報(IMS)を記述し、さらにSDPフィールドにユーザUA#2のグローバルIPアドレス(IP#B)を記述してフェムトセル#3へ送信する。

フェムトセル#3は、受信した200 OKのSDPフィールドに記述されているIPアドレスを前記IP#Bからフェムトセル#3のIPアドレス(IP#3)に書き換えてIMS２３へ転送する。この200OKは、IMS２３からフェムトセル#1を中継してユーザ端末UA#1へ転送される。ユーザ端末UA#1は、前記200 OKを受信すると、時刻t16において前記ユーザ端末UA#2と同様に呼制御ネットワーク情報（ここでは、IMS）を保存する。

以上の手順を経て、ユーザ端末UA#1とUA#2との間では、フェムトセル#1，オーバレイネットワークNWa，フェムトセル#3を中継したアプリケーションデータの送受信が開始される。このとき、ユーザ端末UA#1とフェムトセル#1との間では宛先IPアドレスとして前記IP#A，IP#3が用いられ、フェムトセル#1，#3間ではIP#1，IP#3が用いられ、フェムトセル#3とユーザ端末UA#2との間ではIP#1，IP#Bが用いられる。

これに対して、前記時刻t12において呼制御ネットワークとしてオーバレイネットワークNWaが選択されると、図４の時刻t17において前記SIP INVITEがフェムトセル#1からオーバレイネットワークNWaへ転送され、さらにフェムトセル#3を中継してユーザ端末UA#2へ転送される。このSIP INVITEには、宛先としてユーザ端末UA#2が記述され、SDPフィールドにはセッション開始端末としてフェムトセル#1のIPアドレス(IP#1)が記述され、さらにSIP拡張ヘッダに前記呼制御ネットワーク情報として「オーバレイ」が記述されている。このSIP INVITEを受信したユーザ端末UA#2は、時刻t18において前記呼制御ネットワーク情報（ここでは、「オーバレイ」）を保存する。

時刻t19では、ユーザ端末UA#2からフェムトセル#3へ200 OKが送信される。この200 OKでは、SDPフィールドにセッション開始端末としてユーザ端末UA#2のグローバルIPアドレス(IP#B)が記述され、SIP拡張ヘッダには呼制御ネットワーク情報として「オーバレイ」が記述されている。時刻t20では、前記200 OKを受信したフェムトセル#3により、そのSDPフィールドがフェムトセル#3のIPアドレス(IP#3)に書き換えられてオーバレイネットワークNWaへ転送され、フェムトセル#1を中継してユーザ端末UA#1により受信される。この200 OKを受信したユーザ端末UA#1は、時刻t21において前記呼制御ネットワーク情報（ここでは、「オーバレイ」）を保存する。

図５へ進み、前記時刻t16でユーザ端末UA#2に呼制御ネットワーク情報として「IMS」が保存されたあと、時刻t23においてユーザ端末UA#1が移動してフェムトセル#1からの受信電波強度よりもフェムトセル#2からの受信電波強度が強くなるとハンドオフが実行され、時刻t24では、ユーザ端末UA#1とフェムトセル#2との間で、上記と同様に下位リンクの確立、IPSecトンネル２１の確立およびグローバルIPアドレスの取得、ならびにIMS２３およびオーバレイネットワークNWaの双方への所在登録が行われる。

時刻t25では、ユーザ端末UA#1からフェムトセル#2へSIP re-INVITEが送信される。このSIP re-INVITEには、宛先としてユーザ端末UA#2が記述され、呼制御ネットワーク情報として「IMS」が記述され、SDPフィールドにはユーザ端末UA#1のグローバルIPアドレス(IP#A)が記述されている。

時刻t26では、フェムトセル#2において前記SIP re-INVITEが参照され、ここでは呼制御ネットワーク情報として「IMS」が記述されているので、呼制御ネットワークがIMS２３であったセッションのハンドオフと判定される。時刻t27では、前記SIP re-INVITEがフェムトセル#2から前記IPSecトンネル２１およびSeGW２２を中継してIMS２３へ転送され、さらにフェムトセル#3を中継してユーザ端末UA#2へ転送される。時刻t28では、ユーザ端末UA#2において接続先のIPアドレスがフェムトセル#1のIPアドレス(IP#1)からフェムトセル#2のIPアドレス(IP#2)に変更される。

時刻t29では、ユーザ端末UA#2からフェムトセル#3へ200 OKが送信される。この200 OKには、呼制御ネットワーク情報として「IMS」が記述され、SDPフィールドにはユーザ端末UA#2のグローバルIPアドレス(IP#B)が記述されている。フェムトセル#3は、受信した200 OKのSDPフィールドに記述されているIPアドレスをフェムトセル#3のIPアドレス#3に書き換えて中継する。この200 OKは、IMS２３およびフェムトセル#2を中継してユーザ端末UA#1により受信される。

以上の手順を経て、ユーザ端末UA#1とUA#2との間では、フェムトセル#2，オーバレイネットワークNWa，フェムトセル#3を中継したアプリケーションデータの送受信が行われる。このとき、ユーザ端末UA#1とフェムトセル#2との間では宛先IPアドレスとして前記IP#A，IP#3が用いられ、フェムトセル#1，#3間ではIP#2，IP#3が用いられ、フェムトセル#3とユーザ端末UA#2との間ではIP#2，IP#Bが用いられる。

１１…呼制御ネットワーク選択部，１２…選択結果通知部，１３…呼制御実行部，１４…呼制御ネットワーク識別部，２１…IPSecトンネル，２２…セキュリティゲートウエイ(SeGW)，２３…IMS

Claims (4)

1. フェムトセルを収容するアクセスネットワークを含む複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するフェムトセル間のハンドオフシステムにおいて、
   前記フェムトセルが、
   ユーザ端末から受信した接続要求に応答して前記アクセスネットワークおよび他の呼制御ネットワークのいずれかを選択する手段と、
   前記接続要求に前記選択されたネットワークの識別情報を追記して前記選択された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手段とを具備し、
   前記各ユーザ端末が、
   受信した接続要求に記述されている前記ネットワーク識別情報を保存する手段と、
   ハンドオフ時に移動先のフェムトセルへ前記ネットワーク識別情報の記述された再接続要求を送信する手段とを具備し、
   前記フェムトセルがさらに、
   ユーザ端末から受信した再接続要求に記述されているネットワーク識別情報に基づいてハンドオフ前の呼制御ネットワークを識別する手段と、
   前記接続要求を前記識別された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手段とを具備したことを特徴とするフェムトセル間のハンドオフシステム。
2. 前記アクセスネットワークが複数のフェムトセルにより構築されたオーバレイネットワークであることを特徴とする請求項１に記載のフェムトセル間のハンドオフシステム。
3. 前記他の呼制御ネットワークの一つがIMSを含むコアネットワークであり、
   前記各フェムトセルとコアネットワークとがセキュアな通信トンネルで接続され、
   前記コアネットワークの呼制御が前記IMSで実行されることを特徴とする請求項１または２に記載のフェムトセル間のハンドオフシステム。
4. フェムトセルを収容するアクセスネットワークを含む複数の呼制御ネットワークのいずれかをフェムトセルが選択するフェムトセル間のハンドオフ方法において、
   前記フェムトセルが、
   ユーザ端末から受信した接続要求に応答して前記アクセスネットワークおよび他の呼制御ネットワークのいずれかを選択する手順と、
   前記接続要求に前記選択されたネットワークの識別情報を追記して前記選択された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手順とを実行し、
   前記各ユーザ端末が、
   受信した接続要求に記述されている前記ネットワーク識別情報を保存する手順と、
   ハンドオフ時に移動先のフェムトセルへ前記ネットワーク識別情報の記述された再接続要求を送信する手順とを実行し、
   前記フェムトセルがさらに、
   ユーザ端末から受信した再接続要求に記述されているネットワーク識別情報に基づいてハンドオフ前の呼制御ネットワークを識別する手順と、
   前記接続要求を前記識別された呼制御ネットワーク経由で通信相手のユーザ端末まで転送する手順とを実行することを特徴とするフェムトセル間のハンドオフ方法。

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