JP5650059B2 - 基地局装置 - Google Patents
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Description
図9において、201および202はビーコン信号、203および204はスリープ制御パケット、205は基地局の状態、206は端末局の状態を表す。また、様々な説明において開始と終了時刻を説明するために、タイミング「A」「B」…「G」を図中で示した。
図10において、201および202はビーコン信号、207は基地局の状態、208は端末局の状態を表す。また、様々な説明において開始と終了時刻を説明するために、タイミング「A」「B」「C」を図中で示した。
図11において、101は基地局装置、102はアンテナ、103は通信手段、104は給電手段、105は電源回路、106は通信制御手段、107はスリープ管理手段、108はバッテリーを表す。基地局装置101は基地局配下の端末局と無線回線を介し、通信手段103およびアンテナ102により通信を行う。通信手段103は、通信に係わる信号処理を行う。通信制御手段106は、様々な制御パラメータを調整して通信手段103を制御する。ここでは、運用中の消費電力を削減するために、通信制御手段106内にスリープ管理手段107を備え、この手段を用いてスリープの管理を行う。これらの回路は電源回路105から電源を供給され(ここでは明示的に点線で表記)、その電源回路105は給電手段104より電力が供給される。
(1) 接続する端末局が存在しない場合にスリープ
(2) 接続する端末局は存在するが、トラヒック量が極度に少ない場合にスリープ
もともとプライベートな無線ネットワークの基地局であれば、接続する端末局数は非常に限られており、(1) により十分に省電力効果を得ることが出来る。しかし、公衆無線アクセスの場合には基地局に接続する可能性のある端末局は膨大であり、深夜の限られた時間帯でなければ (1)の効果は期待できない。一方、(2) に関しても、接続中の端末局はある程度の周期で何らかの制御情報を基地局との間で交換することになるため、省電力効果を高めるためには通信トラヒック量に対する閾値を比較的高めに設定する必要がある。
基地局の消費電力を見積もるために、まず、消費電力を左右する運用中の状態を以下に整理する。ここで特徴的なのは、一般的な回路はスリープ時には電力の供給を停止可能であるのに対し、クロックおよびベースバンドと無線周波数間の周波数変換を行うためのシンセサイザに関しては、電源投入後から周波数が安定するまでに時間を要するために、必ずしもスリープ時でも電源供給を停止できない状態があり得るという点である。
(b) 信号受信時:ベースバンド信号処理回路に加え、クロック、シンセサイザ、受信ローノイズアンプが動作(ローノイズアンプの消費電力はハイパワーアンプの消費電力よりも若干小さい)
(c) 受信待機時:実際には有意な信号を受信していないが、信号受信の有無を監視している状況であるため、近似的には(b) とほぼ同じ消費電力である
(d) 完全スリープ時:(インタフェース回路やスリープ管理用の一部の回路を除き)ベースバンド信号処理回路の大部分、送受信アンプ系を全て停止、クロック、シンセサイザ等も停止する(消費電力の最小値)
(e) 短時間スリープ時:(インタフェース回路やスリープ管理用の一部の回路を除き)ベースバンド信号処理回路の大部分、送受信アンプ系は全て停止しているが、クロック、シンセサイザ等は停止していない
(f) スリープ起床準備時:完全スリープではクロック、シンセサイザ等も停止しているが、これらの回路は周波数安定性を担保するため、実際の起床の50〜 100ms程度前から電源再投入をする必要があり、実効的には(e) とほぼ同じ消費電力となる
P1 :上記(a) に該当する最大消費電力
P2 :上記(b),(c) に該当する消費電力
P3 :上記(e),(f) に該当する消費電力
Pmin :上記(d) に該当する最低消費電力
Pcons(t) =(P1−Pmin)R1(t)+(P2−Pmin)R2(t)
+(P3−Pmin)R3(t)+Pmin …(1)
次に、太陽電池からバッテリーへの給電量の予測について説明する。太陽電池の発電量は、24時間周期で増減する。また、季節に依存して太陽の高度や日照時間が変化したり、さらには梅雨時などの晴天率の低さなども考慮すれば、太陽電池による24時間以上の長時間平均でみた平均発電量は1年を通じて変化する。このような太陽電池による発電量の変動のデータベースを参照すれば、未来の発電量の計画値を取得することは可能である。また、天気予報などの外部情報をネットワーク経由で取得すれば、さらに高い精度で予測することが可能である。このようにして予測される発電量に対し、実際の制御においては充電に伴うロスを考慮して、バッテリーへの給電量の計画値が意味を持ち、そこで現在から時間t経過後の給電量の設計上の計画値をCdes(t)として議論する。なお、この給電量の設計上の計画値Cdes(t)は、時間と共に変動する量であるが、ある程度の時間周期での制御を前提とするため、ここでの時刻に関する引数tは連続的な時間を表すものではなく、例えば10分間隔、30分間隔、1時間間隔など、ある程度の時間間隔Δt毎の離散的な値をとる関数として扱われる。
次に、消費電力に関する予測について説明する。消費電力は、上記の式(1) により与えられるが、実際のR1(t) 、R2(t) 、R3(t) の値はネットワークを流れる(ダウンリンクおよびアップリンクのそれぞれの)トラヒック量、基地局のスリープや各種運用パラメータ値により定まる。
このようにして得られる消費電力の設計上の計画値Pdes(t)と、給電量の設計上の計画値Cdes(t)の間には、安定運用のための条件が存在する。これは、運用中にバッテリー残量がゼロとならないことを保証するための条件である。この安定運用条件の管理はある長時間周期で行う必要があるが、一般に24時間毎の時間変動の差分は、1日の24時間以内の時間変動に比べて小さいので、管理を行なう周期は24時間の整数倍が理想的である。この制御周期をTcont(例えば24時間、3日間等)とする。そして、この制御周期Tcontの時間経過後に、バッテリーの残量が現在時点のバッテリー残量よりも減ることがないとすることで、定常的な放電状態を回避することを考え、以下の条件式を設定する。
∫t t+Tcont{Cdes(t')−Pdes(t')}dt' ≧0 …(2)
Bdes(t)=Bdes(t0)+∫t0 t{Cdes(t')−Pdes(t')}dt' …(3)
以上の条件、式(2) を満足するように、消費電力の計画上の計画値Pdes(t)を設計する必要があるが、設計段階からいきなり式(2) を満たす解を得ることは困難であるため、一旦、基地局装置の消費電力の計画上の計画値を初期計画値P des(t)と仮に設定し、これに対する補正を以降の処理において行うこととする。消費電力の初期計画値は、通常は節電のための制御を若干控えめに設定し、この初期計画値が蓄電能力の限界を超えている場合に必要となる計画値補正用の係数(以下「節電係数」という)を算出することとする。
α(t0)=Min{1,(∫t0 t0+TcontCdes(t')dt'−PminTcont)
/(∫t0 t0+Tcont P des(t')dt'−PminTcont) } …(4)
この節電係数を用いて、消費電力の計画値を以下の様に定める。
Pdes(t)=α(t0){P des(t)−Pmin}+Pmin …(5)
簡単な制御として、式(3) で与えられる設計上のバッテリー残量の計画値Bdes(t)と、実際の現在のバッテリー残量B(t) を比較し、節電係数α(t0)を補正する追加節電係数β(t) を算出する。最も単純な例では、以下の式で与えてもよい。
β(t) =B(t)/Bdes(t) (for B(t)<Bdes(t))
=1 (for B(t)≧Bdes(t)) …(6)
Ptarget(t) =β(t){Pdes(t)−Pmin}+Pmin …(7)
γ(t) =Min{1,(∫t t+Tcont Cest(t')dt'−PminTcont)
/(∫t t+Tcont Pdes(t')dt'−PminTcont) } …(8)
Ptarget(t) =γ(t){Pdes(t)−Pmin}+Pmin …(9)
または、式(6) を考慮して、以下の式を用いてもよい。
Ptarget(t) =β(t)γ(t){Pdes(t)−Pmin}+Pmin …(10)
例えば、ダウンリンクでの単位時間当たりのトラヒック量が予測され、それらの伝送速度の分布がモデル化できると、ダウンリンクの単位時間当たりの送信時間が求まる。例えば、IEEE802.11a/g を例に取れば、利用可能な伝送速度は6Mbps (BPSK R=1/2)、12Mbps (QPSK R=1/2)、24Mbps (16QAM R=1/2)、36Mbps (16QAM R=3/4)、48Mbps (64QAM R=2/3)、54Mbps (64QAM R=3/4)などである。ユーザの分布を一様だとすれば、これらの分布p1 〜p6 (確率の条件から総和が1となる)がどのようになるかを計算できる。
R4(t)= (Ts−Tp)/Tb …(11)
R3(t)=Tp/Tb …(12)
R3(t)= (TP+TNAV)/Tb …(13)
R2(t)=1−R1(t)−R3(t)−R4(t) …(15)
ここで、トラヒック量が定まると時間率R1(t)は自動的に定まると仮定し、さらに目標消費電力Ptarget(t) も与えられるとする。さらに、時間率R3(t)は式(12)で与えられるとすれば、目標消費電力とパラメータTb 、Ts に対する条件式は以下のようになる。
Ptarget(t) =(P1−Pmin) R1(t)
+(P2−Pmin){1−R1(t)−Tp/Tb−(Ts−Tp)/Tb }
+(P3−Pmin)Tp/Tb+Pmin …(16)
このようにして、目標消費電力に対応した制御パラメータの算出が可能となる。
β(t) =B(t)/Bdes(t) (for B(t)<Bdes(t))
= (B(t)/Bdes(t))^δ (for B(t)≧Bdes(t)) …(17)
β(t) =B(t)/Bdes(t) (for B(t)<Bdes(t))
=1 (for ε>(B(t)/Bdes(t))^δ≧1)
= (B(t)/Bdes(t))^δ(for (B(t)/Bdes(t))^δ≧ε)
…(18)
このような対処は、α,γにおいても同様である。
図6は、本発明におけるバッテリー残量、給電量、消費電力の関係(理想状態)を示す図である。
図1において、1は基地局装置、2はアンテナ、3は通信手段、4は給電手段、5はバッテリー、6は電源回路、7はバッテリー残量取得手段、8はバッテリー残量計画値管理手段、9は制御パラメータ設定手段、10は制御パラメータ計画値管理手段、11は通信制御手段、12はスリープ管理手段を示す。
ここでは、給電手段4とバッテリー5と電源回路6が相互に直接電力のやり取りができる構成となっており、図1の構成のように常にバッテリー5を介して給電手段4と電源回路6が接続される構成とは異なる。例えば、十分な給電能力がある時間帯であれば、直接、給電手段4から電源回路6に供給しても構わない。しかし、これらは電源系の構築方法の差でしかなく、実際に給電量が消費電力を下回る時にはバッテリー5からの給電により電源回路6が動作するため、本発明にとっては本質的な差ではない。
図3において、実施例2の特徴は、図1に示す実施例1の構成に加えて消費電力計画値管理手段13を備え、制御パラメータ設定手段9が通信手段3から消費電力情報を逐次取得し、さらに消費電力計画値管理手段13から現時点における消費電力の計画値を取得し、スリープ管理手段12に設定する制御パラメータの調整に反映させる構成にある。
図4において、実施例3の特徴は、図1に示す実施例1の構成に加えて給電量予測手段14および給電量計画値管理手段15を備え、制御パラメータ設定手段9は給電量予測手段14から給電手段4における今後の給電量の予測値を取得し、さらに給電量計画値管理手段15から給電量の計画値を取得し、スリープ管理手段12に設定する制御パラメータの調整に反映させる構成にある。
B(t)=B(t0)+∫t0 t{C(t')−P(t')}dt' …(19)
したがって、適当な時刻でのバッテリー残量の初期値をB(t0)とすれば、その初期値からの差分の累積値としてバッテリー残量を把握することが可能である。
図5において、基本的な構成は図1に示す実施例1と同様であるが、給電手段4および電源回路6からバッテリー残量取得手段7に対して、給電量および消費電力等の情報を与える。バッテリー残量取得手段7では、式(17)を用いてバッテリー残量の精度の高い値を取得することが可能である。ただし、測定誤差の蓄積などにより累積誤差が大きくなることを回避するため、バッテリー残量取得手段7はバッテリー5から、適宜、バッテリー残量をモニタする構成としてもよい。なお、式(17)での初期値としては、適切な値を設定可能であれば任意のバッテリー残量を初期値としても構わないが、それが困難であればバッテリー5を一旦フル充電状態にしておき、初期値自体はフル充電時のバッテリー残量に対し適当な係数(例えば80%値であれば0.8 など)をかけた値を初期値として代用しても構わない。
2 アンテナ
3 通信手段
4 給電手段
5 バッテリー
6 電源回路
7 バッテリー残量取得手段
8 バッテリー残量計画値管理手段、
9 制御パラメータ設定手段
10 制御パラメータ計画値管理手段
11 通信制御手段
12 スリープ管理手段
13 消費電力計画値管理手段
14 給電量予測手段
15 給電量計画値管理手段
101 基地局装置
102 アンテナ
103 通信手段
104 給電手段
105 電源回路
106 通信制御手段
107 スリープ管理手段
108 バッテリー
201,202 ビーコン信号
203,204 スリープ制御パケット
205 基地局の状態
206 端末局の状態
207 基地局の状態
208 端末局の状態
Claims (8)
- 給電手段と、該給電手段から給電される電力を蓄電するバッテリーと、該給電手段または該バッテリーの少なくとも一方から給電された電力を通信手段を含む各回路に給電する電源回路とを備えた無線通信システムの基地局装置において、
前記バッテリーのバッテリー残量を取得するバッテリー残量取得手段と、
所定の制御周期内の各時刻における前記給電手段の給電量の計画値から前記通信手段の消費電力の計画値を減算した値を積算し、該所定の制御周期内の各時刻における前記バッテリーのバッテリー残量の計画値として管理するバッテリー残量計画値管理手段と、
制御パラメータに応じて前記通信手段の消費電力を制御する通信制御手段と、
前記所定の制御周期内の各時刻における前記制御パラメータの計画値を管理する制御パラメータ計画値管理手段と、
前記所定の制御周期内の各時刻で、前記バッテリー残量取得手段から得られるバッテリー残量の実測値と、前記バッテリー残量計画値管理手段から得られるバッテリー残量の計画値とを比較し、バッテリー残量の実測値が計画値より小さい場合に前記制御パラメータ計画値管理手段にて管理される基準値の制御パラメータよりも省電力化する制御パラメータを設定する制御パラメータ設定手段と
を備えたことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
前記制御パラメータ設定手段は、
前記バッテリー残量の実測値が前記計画値と等しい場合に、前記制御パラメータ計画値管理手段にて管理される基準値の制御パラメータを設定し、
前記バッテリー残量の実測値が前記計画値より大きい場合に、前記制御パラメータ計画値管理手段にて管理される基準値の制御パラメータよりも非省電力化する制御パラメータまたは当該基準値の制御パラメータを設定する構成である
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
前記通信制御手段は、運用中に、該基地局装置配下の端末局に対し無線アクセスの禁止時間を設定し、該設定された無線アクセス禁止時間中に該基地局装置の各回路の一部を停止させるスリープ制御により該基地局装置自体の省電力化を図るスリープ管理手段を備え、
前記制御パラメータには前記スリープ制御に係わる制御パラメータを含む
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
少なくとも前記所定の制御周期内の各時刻における該基地局装置の消費電力の計画値を管理する消費電力計画値管理手段を備え、
前記制御パラメータ設定手段は、前記各時刻における前記バッテリー残量の実測値が計画値より小さい場合に行う制御パラメータの設定において、前記各時刻における該基地局装置の消費電力の実測値を取得し、該消費電力の実測値が計画値より大きいときに該消費電力を該計画値よりも低く抑える省電力化を増大する制御パラメータを設定する制御パラメータを設定する構成である
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
少なくとも前記所定の制御周期内の各時刻における前記給電手段の給電量の予測値を取得する給電量予測手段と、
少なくとも前記所定の制御周期内の各時刻における前記給電手段の給電量の計画値を管理する給電量計画値管理手段と
を備え、
前記制御パラメータ設定手段は、前記各時刻における前記バッテリー残量の実測値が計画値より小さい場合に行う制御パラメータの設定において、前記各時刻における前記給電量の予測値が計画値より小さいときに該消費電力を該計画値よりも低く抑える省電力化を増大する制御パラメータを設定する制御パラメータを設定する構成である
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項5に記載の基地局装置において、
前記給電手段が太陽電池であり、
前記給電量予測手段は、前記通信手段を介して前記太陽電池による給電量に関する情報または給電量の予測に必要な天候に関する情報のいずれかまたはその両方を取得する構成である
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
前記バッテリー残量取得手段は、前記給電手段から前記バッテリーに対する給電量の実測値を取得し、前記電源回路から該基地局装置の消費電力の実測値を取得し、給電量の実測値と消費電力の実測値の差分の累積値から前記バッテリー残量の変動量を算出し、前記バッテリー残量の初期値をもとに前記バッテリー残量を推定する構成である
ことを特徴とする基地局装置。 - 請求項1に記載の基地局装置において、
前記所定の制御周期は、24時間またはそれ以上の24時間単位周期である
ことを特徴とする基地局装置。
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