早稲田大学大学院基幹理工学研究科
博士論文審査報告書
論 文 題 目
Studies on Optimization Model of Macro-Femtocell System
マクロ－フェムトセルシステムの最適化モデ ルに関する研究
申 請 者
Qiaozhi HUA
カ シュシ
情報理工・情報通信専攻 ユビキタス通信システム研究
2019 年 7 月
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5G シ ス テ ム の 実 用 化 を 始 め と し て 、 こ れ か ら の 移 動 通 信 シ ス テ ム で は 、 大 容 量 化 、 低 遅 延 、 高 速 デ ー タ 伝 送 、 高 速 移 動 環 境 へ の 要 求 が 高 ま り 、 多 く の 人 々 が 移 動 し な が ら 4K 映 像 な ど の 高 品 質 な 映 像 や 音 楽 を 視 聴 で き る 環 境 が 整 っ て き た 。 次 世 代 の 移 動 通 信 環 境 に お い て 、 全 て の エ リ ア で 高 品 質 な 映 像 や 音 楽 を 視 聴 で き る よ う に す る た め に は 、 移 動 通 信 シ ス テ ム の セ ル 構 成 で マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル を 組 み 合 わ せ た 最 適 な セ ル 配 置 に よ り 、 セ ル 内 の ト ラ ヒ ッ ク の 負 荷 バ ラ ン ス を 均 一 と し 、 さ ら に ネ ッ ト ワ ー ク の 高 効 率 化 を 行 う こ と が 求 め ら れ る 。 無 線 回 線 品 質 変 動 の 大 き な 移 動 環 境 に お い て セ ル 内 の 負 荷 バ ラ ン ス を 適 切 に 保 つ た め に は 、 移 動 端 末 の 環 境 に 応 じ て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル と の 最 適 化 ハ ン ド オ フ 制 御 を 行 う こ と が 求 め ら れ る 。
従 来 、 マ ク ロ セ ル だ け で は 、 移 動 端 末 が セ ル エ ッ ジ エ リ ア で は 十 分 な 通 信 品 質 を 確 保 す る こ と が で き な い こ と か ら 、 マ ク ロ セ ル の セ ル エ ッ ジ に フ ェ ム ト セ ル を 配 置 し 全 て の エ リ ア で 均 一 な 通 信 品 質 を 確 保 す る こ と が 提 案 さ れ て き た 。フ ェ ム ト セ ル の 導 入 は 、実 際 の シ ス テ ム に お い て も 実 用 化 さ れ て い る 。 し か し 、 近 年 の 移 動 通 信 シ ス テ ム に お い て は 、 高 速 デ ー タ 通 信 や 高 速 移 動 環 境 を 可 能 と す る 高 度 な 移 動 通 信 シ ス テ ム を 実 現 す る 必 要 が あ る こ と か ら 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 最 適 構 成 に お い て 負 荷 バ ラ ン ス を 一 定 に 保 持 す る と い う 新 た な 課 題 が 提 起 さ れ 、 課 題 の 解 決 を 図 る こ と が 求 め ら れ て い る 。 本 論 文 で は 次 世 代 移 動 通 信 の 新 た な 課 題 に 対 し て セ ル エ ッ ジ で の 干 渉 雑 音 解 析 に 基 づ い た マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 負 荷 バ ラ ン ス の 制 御 方 式 と 移 動 端 末 の 移 動 速 度 予 測 方 式 に 基 づ き マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 優 先 制 御 に よ る ネ ッ ト ワ ー ク の 負 荷 バ ラ ン ス 制 御 方 式 に つ い て 研 究 を 行 い 得 ら れ た 研 究 の 成 果 に つ い て 述 べ て い る 。
本 論 文 は 英 語 で 執 筆 さ れ て い る 。 以 下 、 各 章 毎 に 内 容 を 述 べ 評 価 を 行 う 。 Chapter 1「Introduction」と し て 、次 世 代 高 度 移 動 通 信 シ ス テ ム と し て 新 た に ミ リ 波 帯 な ど の 周 波 数 利 用 の 重 要 性 と 高 速 移 動 環 境 で の 大 容 量 、低 遅 延 、 高 速 デ ー タ 通 信 方 式 が 重 要 に な っ て き て い る こ と を 述 べ て い る 。 特 に 大 容 量 シ ス テ ム を 実 現 す る た め に は 、 セ ル エ ッ ジ も 含 め て 均 一 な 通 信 品 質 で の デ ー タ 通 信 サ ー ビ ス を 実 現 す る こ と が 必 要 で あ り 、 セ ル の 構 成 に お い て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 相 互 の セ ル 間 干 渉 特 性 を 解 析 に よ り 明 ら か に す る こ と が 必 要 で あ る こ と を 述 べ て い る 。 本 論 文 で は 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 構 成 に お い て 相 互 の 干 渉 問 題 を 明 ら か に し 、 さ ら に 、 移 動 環 境 下 に お け る マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の セ ル ラ ネ ッ ト ワ ー ク の 負 荷 バ ラ ン ス 制 御 方 法 に つ い て 解 明 で き た こ と を 概 説 し て い る 。
Chapter2「Related work」 と し て 、C hapter3 と Chapter4 で 述 べ る マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル 間 の そ れ ぞ れ の 干 渉 モ デ ル を 定 義 し て い る 。
Chapter3「Efficient Optimization Design for Macro-Femtocell Networks
」 と し て 、 セ ル 構 成 に お い て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル で 構 成 し た ネ ッ ト ワ ー ク に お い て 、 フ ェ ム ト セ ル の カ バ ー 範 囲 に 対 応 し て 、 移 動 局 の セ ル 内 の 位
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置 に 基 づ く 相 互 の 干 渉 雑 音 の 解 析 を 行 い 、 フ ェ ム ト セ ル の 送 信 電 力 に 依 存 す る こ と を 述 べ て い る 。 こ の 結 果 よ り 、 フ ェ ム ト セ ル の 送 信 電 力 の 増 大 に 対 し て 干 渉 雑 音 が 増 大 す る 一 方 で 、 マ ク ロ セ ル と の 送 信 電 力 と の 相 対 関 係 に よ り 同 一 チ ャ ネ ル 間 干 渉 が 減 少 す る 現 象 に つ い て 詳 細 な 解 析 と 評 価 を 行 な っ た こ と を 述 べ て い る 。 こ れ 等 の 解 析 に よ り マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル に お い て 最 小 の 干 渉 雑 音 を 与 え る 最 適 な 大 き さ の フ ェ ム ト セ ル が 得 ら れ る こ と を 明 ら か し た 。 本 章 に お い て は 、 次 世 代 移 動 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク に お い て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル と の 干 渉 雑 音 に つ い て 解 析 を 行 い 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の 最 適 な 構 成 が 得 ら れ る こ と を 明 ら か に し た こ と は 評 価 で き る 。
Chapter4 「 A Novel Base-Station Selection Strategy for Cellular Communications」 と し て 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル 間 の ハ ン ド オ フ 制 御 方 式 に つ い て 解 析 し た 結 果 に つ い て 述 べ て い る 。 従 来 、 ハ ン ド オ フ 制 御 方 式 は 周 囲 の e-NodeB か ら の 送 信 電 力 に 対 す る 移 動 端 末 の 受 信 電 力 の 相 対 的 大 き さ を 比 較 し 、 相 対 電 力 が 大 き い セ ル へ ハ ン ド オ フ 制 御 を 行 う こ と で 実 現 し て い る 。 本 章 で は マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル と 移 動 端 末 の 相 対 位 置 関 係 に 基 づ き 、 移 動 端 末 の 移 動 速 度 と 移 動 方 向 か ら 適 切 な ハ ン ド オ フ タ イ ミ ン グ を 推 定 し ハ ン ド オ フ を 実 行 す る 方 式 に つ い て 述 べ て い る 。 ま た 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル へ の 移 動 局 の 負 荷 バ ラ ン ス を 保 つ こ と を 目 的 と し て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の ハ ン ド オ フ に マ ル コ フ モ デ ル を 用 い て 優 先 接 続 に よ る ハ ン ド オ フ 接 続 方 式 を 提 案 し シ ス テ ム 全 体 の ス ル ー プ ッ ト 特 性 の 向 上 が 図 れ る こ と を 明 ら か に し た 。 本 章 で は 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の ハ ン ド オ フ タ イ ミ ン グ を 決 定 す る 上 で 、 移 動 端 末 の 移 動 方 向 と 移 動 速 度 も 考 慮 に 入 れ て マ ル コ フ モ デ ル の 遷 移 確 率 に 基 づ き ハ ン ド オ フ す る 方 式 を 提 案 し ネ ッ ト ワ ー ク の ス ル ー プ ッ ト 特 性 が 向 上 で き る こ と を 明 ら か に し た こ と は 評 価 で き る 。
Chapter5「Conclusion and Future Work」 と し て 、Chapter3 で 述 べ た 様 に フ ェ ム ト セ ル の 送 信 電 力 に 対 す る マ ク ロ セ ル 、 フ ェ ム ト セ ル の 同 一 チ ャ ネ ル 間 干 渉 の 解 析 を 行 い 干 渉 量 評 価 し た こ と を 述 べ て い る 。 さ ら に 、Chapter4 に お い て マ ク ロ セ ル 、 フ ェ ム ト セ ル 間 の ハ ン ド オ フ タ イ ミ ン グ の 制 御 に 予 測 移 動 方 向 と 移 動 速 度 を パ ラ メ ー タ と し て 用 い 、 マ ク ロ セ ル セ ル と フ ェ ム ト セ ル 間 の 優 先 接 続 制 御 を 提 案 し 、 高 効 率 ネ ッ ト ワ ー ク が 構 成 で き る こ と を 述 べ て い る 。 さ ら に 、 今 後 の 研 究 課 題 と し て 複 数 の マ ク ロ セ ル 、 フ ェ ム ト セ ル で の 干 渉 解 析 を 行 う こ と を 示 し て い る 。
本 論 文 で は 、 大 容 量 、 低 遅 延 、 高 速 デ ー タ 伝 送 、 高 速 移 動 環 境 な ど 今 後 の 移 動 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク に お い て 、 通 信 品 質 が 均 一 な ネ ッ ト ワ ー ク を 構 築 す る こ と を 目 的 と し て マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル の セ ル 間 干 渉 特 性 に つ い て 研 究 し 、 マ ク ロ セ ル と フ ェ ム ト セ ル 間 の ハ ン ド オ フ 制 御 に マ ル コ フ モ デ ル に 基 づ く 優 先 制 御 方 式 を 示 し ス ル ー プ ッ ト 特 性 を 改 善 で き た こ と は 評 価 で き る 。 し た が っ て 、情 報 通 信 の 発 展 に 寄 与 す る と こ ろ 大 で あ り 、本 論 文 は 博 士（ 工 学 ） 早 稲 田 大 学 の 学 位 を 授 与 す る に 値 す る も の と 認 め る 。
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2019 年 7 月
審 査 員 主 任
早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 新 潟 大 学 ） 佐 藤 拓 朗 印
（ 専 門 分 野 ： 無 線 通 信 工 学 ） サ イ ン
早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ）（ 東 北 大 学 ） 嶋 本 薫 印
（ 専 門 分 野 ： 無 線 通 信 工 学 ） サ イ ン
早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 東 京 大 学 ） 甲 藤 二 郎 印
（ 専 門 分 野 ： 画 像 通 信 ） サ イ ン
早 稲 田 大 学 GITI 顧 問 工 学 博 士 （ 東 京 大 学 ） 津 田 俊 隆 印
（ 専 門 分 野 ： 情 報 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク ） サ イ ン
