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技術 無線通信システム及びその通信方法

出願人 日本電信電話株式会社
発明者 河村憲一高谷直樹
出願日 2016年6月24日 (5年8ヶ月経過) 出願番号 2016-125714
公開日 2017年12月28日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2017-229022
状態 特許登録済
技術分野 移動無線通信システム
主要キーワード 配備形態 モバイル通信サービス 完了結果 解除手順 クラウドサーバ モバイルコアネットワーク 相手先ユーザ アタッチ処理
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年12月28日)のものです。
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図面 (13)

課題

コアネットワークトラフィックを集中させることなく、自律分散的にモバイルネットワークを形成可能とする無線通信システムを提供する。

解決手段

無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局100と複数の無線基地局100を収容するコアネットワーク200とを備えた無線通信システムであって、前記コアネットワーク200を形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネット300を含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局100に配備し、前記コアネットワーク200を形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット300上に配備した。

概要

背景

モバイル通信は近年急速に普及しており、3GやLTE(Long Term Evolution)と呼ばれる3GPP(Third Generation Partnership Project)が策定した標準規格セルラー無線通信システムが広く使用されている。セルラー無線通信システムによって提供されるモバイル通信サービスライセンスバンド運用されるのが一般的であり、周波数を使用する免許を受けた事業者が、その周波数帯を用いてモバイル通信サービスを行なう。一方で、無線通信の周波数帯にはアンライセンスバンドと呼ばれる周波数帯が用意されている。アンライセンスバンドの周波数帯は、機器が基準を満たす必要はあるが、誰でも使用可能な周波数帯という特徴がある。例えば2.4GHz帯や5GHz帯のアンライセンスバンドではIEEE802.11規格無線LAN等が広く使用されている。

モバイル通信トラフィックスマートフォン等の普及により急速に増加し続けており、将来的にはモバイル事業者割り当てられたライセンスバンドだけでは周波数が不足する可能性がある。このためモバイル通信において、アンライセンスバンドでもLTEを運用する方式が検討されている。例えば3GPPで検討されているLAA(Licensed Assisted Access)(先行技術文献1)がその一例である。LAAはライセンスバンドと5GHz帯のアンライセンスバンドをUE(端末、User Equipment)と基地局(eNodeB)間で同時に使用する技術であり、ライセンスバンドでの通信経路があることが前提で、その帯域に追加する形で、アンライセンスバンドをLTEによる下り方向の通信に利用する技術である。この技術をベースとして、MulteFireと呼ばれる技術がMulteFire Alliance(http://www.multefire.org/)で提案されており、アンライセンスバンド単独でLTEサービスを行なうことができるようにする技術となる予定である。LAAがライセンスバンドとの統合利用を必須としているのに対し、MulteFireはアンライセンスバンド単独で利用でき、また、下り方向だけでなく、上り/下り方向の両方で利用することができる。このため、例えばライセンスバンドの免許を持たない通信事業者がLTEに準拠したモバイル通信サービスを提供できる等のメリットがあり、今後の実用化が期待されている。

MulteFireはアンライセンスバンドでモバイル通信を提供可能であり、誰でも設備を準備すればモバイル通信を実現できる。しかしながら、MulteFireは基本的にはLTEの規格に準拠しアンライセンスバンドで使用するものであるため、MulteFireのネットワーク側の設備としては、基地局以外にモバイルコアネットワークの装置が必要である。LTEではこれらの装置はEPC(Enhanced Packet Core)(先行技術文献2)と呼ばれる。EPCは複数の機能群から構成され、UEの認証や移動管理ポリシー制御等の機能を提供するものである。EPCの構成要素として、HSS(Home Subscriber Server)はLTEのUEの認証を行なうための加入者情報を格納する。MME(Mobility Management Entity)はUEの移動管理の制御を行なう。S−GW(Serving Gateway), P−GW(PDN Gateway)は連携して動作することでUEが移動した際のトラフィックのハンドオーバの機能を担う。またPCRF(Policy and Charging Rules Function)はQoS等のポリシー制御の機能を提供する。

概要

コアネットワークにトラフィックを集中させることなく、自律分散的にモバイルネットワークを形成可能とする無線通信システムを提供する。無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局100と複数の無線基地局100を収容するコアネットワーク200とを備えた無線通信システムであって、前記コアネットワーク200を形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネット300を含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局100に配備し、前記コアネットワーク200を形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット300上に配備した。

目的

EPCは複数の機能群から構成され、UEの認証や移動管理、ポリシー制御等の機能を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムであって、前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備したことを特徴とする無線通信システム。

請求項2

インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末帰属する無線基地局内のゲートウェイ機能部の識別情報と該ゲートウェイ機能部のIPアドレスとを対応づけてユーザ端末の位置を管理する端末位置管理機能部を備えることを特徴とする請求項1記載の無線通信システム。

請求項3

前記ゲートウェイ機能部は、インターネットを介したVPN(Virtual Private Network:仮想プライベートネットワーク)を形成するVPN機能部を備え、複数の無線基地局間を接続する暗号化通信経路をインターネット上にメッシュ状に形成することにより各無線基地局が収容された仮想閉域ネットワークを形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の無線通信システム。

請求項4

前記無線通信システム内の各機能部はLTE(Long Term Evolution)で規定された機能及びインタフェースを有することを特徴とする請求項1乃至3何れか1項記載の無線通信システム。

請求項5

前記無線アクセス機能部は、無線アクセス機能を提供するeNodeBの機能及びインタフェースを有し、前記ゲートウェイ機能部は、少なくともPDN(Packet Data Network)−Gatewayの機能及びインタフェースを有し、インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、少なくとも、MME(Mobility Management Entity)の機能及びインタフェースと、HSS(Home Subscriber Server)の機能及びインタフェースを有することを特徴とする請求項4記載の無線通信システム。

請求項6

無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムにおけるユーザ端末間通信方法であって、前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備し、インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末が帰属する無線基地局内のゲートウェイ機能部の識別情報と該ゲートウェイ機能部のアドレス情報とを対応づけてユーザ端末の位置を管理する端末位置管理機能部を備え、前記ゲートウェイ機能部は、インターネットを介したVPN(Virtual Private Network:仮想プライベートネットワーク)を形成するVPN機能部を備え、複数の無線基地局間を接続する暗号化通信経路をインターネット上にメッシュ状に形成することにより各無線基地局が収容された仮想閉域ネットワークを形成し、インターネット上に配備した前記コントロールプレーン機能部は、ユーザ端末から発呼があった場合に前記端末位置情報管理部を参照して相手先ユーザ端末が帰属するゲートウェイ機能部のIPアドレスを発呼元ユーザ端末が帰属する無線基地局に通知し、無線基地局は通知されたIPアドレスに対して前記暗号化通信経路を介して相手先ユーザ端末への発呼を行うことを特徴とする無線通信システムにおける通信方法。

技術分野

0001

本発明は、無線通信システムに関する。

背景技術

0002

モバイル通信は近年急速に普及しており、3GやLTE(Long Term Evolution)と呼ばれる3GPP(Third Generation Partnership Project)が策定した標準規格セルラー無線通信システムが広く使用されている。セルラー無線通信システムによって提供されるモバイル通信サービスライセンスバンド運用されるのが一般的であり、周波数を使用する免許を受けた事業者が、その周波数帯を用いてモバイル通信サービスを行なう。一方で、無線通信の周波数帯にはアンライセンスバンドと呼ばれる周波数帯が用意されている。アンライセンスバンドの周波数帯は、機器が基準を満たす必要はあるが、誰でも使用可能な周波数帯という特徴がある。例えば2.4GHz帯や5GHz帯のアンライセンスバンドではIEEE802.11規格無線LAN等が広く使用されている。

0003

モバイル通信トラフィックスマートフォン等の普及により急速に増加し続けており、将来的にはモバイル事業者割り当てられたライセンスバンドだけでは周波数が不足する可能性がある。このためモバイル通信において、アンライセンスバンドでもLTEを運用する方式が検討されている。例えば3GPPで検討されているLAA(Licensed Assisted Access)(先行技術文献1)がその一例である。LAAはライセンスバンドと5GHz帯のアンライセンスバンドをUE(端末、User Equipment)と基地局(eNodeB)間で同時に使用する技術であり、ライセンスバンドでの通信経路があることが前提で、その帯域に追加する形で、アンライセンスバンドをLTEによる下り方向の通信に利用する技術である。この技術をベースとして、MulteFireと呼ばれる技術がMulteFire Alliance(http://www.multefire.org/)で提案されており、アンライセンスバンド単独でLTEサービスを行なうことができるようにする技術となる予定である。LAAがライセンスバンドとの統合利用を必須としているのに対し、MulteFireはアンライセンスバンド単独で利用でき、また、下り方向だけでなく、上り/下り方向の両方で利用することができる。このため、例えばライセンスバンドの免許を持たない通信事業者がLTEに準拠したモバイル通信サービスを提供できる等のメリットがあり、今後の実用化が期待されている。

0004

MulteFireはアンライセンスバンドでモバイル通信を提供可能であり、誰でも設備を準備すればモバイル通信を実現できる。しかしながら、MulteFireは基本的にはLTEの規格に準拠しアンライセンスバンドで使用するものであるため、MulteFireのネットワーク側の設備としては、基地局以外にモバイルコアネットワークの装置が必要である。LTEではこれらの装置はEPC(Enhanced Packet Core)(先行技術文献2)と呼ばれる。EPCは複数の機能群から構成され、UEの認証や移動管理ポリシー制御等の機能を提供するものである。EPCの構成要素として、HSS(Home Subscriber Server)はLTEのUEの認証を行なうための加入者情報を格納する。MME(Mobility Management Entity)はUEの移動管理の制御を行なう。S−GW(Serving Gateway), P−GW(PDN Gateway)は連携して動作することでUEが移動した際のトラフィックのハンドオーバの機能を担う。またPCRF(Policy and Charging Rules Function)はQoS等のポリシー制御の機能を提供する。

先行技術

0005

3GPP, TR 36.889 V13.0.0 (2015-06), Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum; (Release 13)
3GPP, TS 23.401 V13.6.1 (2016-03), Technical Specification Group Services and System Aspects; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 13)

発明が解決しようとする課題

0006

MulteFireの基地局はコアネットワークとしてEPCの機能が存在する前提で動作するため、使用するためにはEPCを用意する必要がある。従って、例えば無線LANのように基地局単体で動作することができない。EPCは比較的大規模にLTEのモバイルサービスを提供することが前提のものであり、その設備を準備するにはコストが課題となる。また、EPCは基本的に単一の事業者ネットワーク内で使用することが想定されたものであり、その事業者のネットワーク内でUEの移動管理等の機能を提供し、インターネットへのアクセスはP−GWに集約された構成を取る。しかしMulteFireのユースケースとしては、自由に設置できる利点を活かし、様々ネットワーク回線を使用して自由に設置することが考えられる。このようなユースケースでモバイルサービスの提供を行なう場合、EPC機能をインターネット上のクラウドサーバ上に配備し、あらゆる回線に接続された基地局を収容することが考えられるが、そうした場合にはEPCのP−GWがユーザデータのアンカーポイントとなり、通信トラフィックが集約されるため、輻輳等のボトルネックが生じる問題や、アンカーポイント経由でインターネットアクセスを行なうため遅延も増大するという課題がある。

0007

このように、様々なネットワークに接続され、ユーザが自由に設置するMulteFireの基地局を収容するEPCをネットワーク上に配備する場合に、EPCをクラウドサーバ上に配備することが考えられるが、通常のEPCではトラフィックの集中により、ボトルネックが生じる可能性があり、また、EPCが高コストとなる課題がある。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために、本願発明は、無線アクセス区間を形成する無線アクセス機能部を有する無線基地局と複数の無線基地局を収容するコアネットワークとを備えた無線通信システムであって、前記コアネットワークを形成する機能部のうちユーザデータの伝送を行うとともにインターネットを含む外部ネットワークへの接続機能を有するゲートウェイ機能部を前記無線基地局に配備し、前記コアネットワークを形成する機能部のうちコントロールプレーンに係るコントロールプレーン機能部の少なくとも一部をインターネット上に配備したことを特徴とする。

発明の効果

0009

本発明によれば、無線基地局によりモバイル通信サービスを提供する際のネットワーク側のコアネットワーク機能の配備を簡易かつ低コストで実現でき、また、コアネットワークにトラフィックを集中させることなく、自律分散的にモバイルネットワークを形成することが可能となる。また、本発明ではユーザ端末への機能変更は必要無く、ネットワーク側装置により機能を提供することができる。

図面の簡単な説明

0010

本発明に係る無線通信システムのトポロジを示す図
LTEのトポロジを示す図
本発明の一実施形態に係る無線基地局の構成図
本発明の一実施形態に係るMMEの構成図
本発明の一実施形態に係るHSSの構成図
本発明の一実施形態に係るHSSにおけるUEの帰属先P−GW管理DBの管理情報の一例
本発明の一実施形態に係るHSSにおける無線基地局管理DBの管理情報の一例
無線基地局がモバイルネットワークに接続される場合のシーケンス
無線基地局がモバイルネットワークから削除される場合のシーケンス図
モバイルネットワークへのUEの帰属手順を示すシーケンス図
モバイルネットワークからのUEの帰属解除手順を示すシーケンス図
異なる無線基地局配下に接続されたUE間での通信を開始する際のシーケンス図

実施例

0011

本発明の一実施の形態に係る無線通信システムについて図面を参照して説明する。本実施の形態に係る無線通信システムは、LTEやそれに類する無線通信システムであって、クラウドサーバ上にEPCのC−Plane(Control Plane)の処理機能である(HSS,MME,PCRF)を配備するとともに、基地局内にEPCのS−GW/P−GWのU−Plane(User Plane)機能を配備する。

0012

図1に本発明に係る無線通信システムのトポロジを示す。図1各無線基地局100は、LTE規格の基地局であるeNodeBの機能と、P−GW,S−GWが統合された機能配備となっている。本発明では、各基地局100内にP−GW,S−GWの機能を配備することで、一つの基地局100が一つのP−GW,S−GW相当の機能を持つ。全ての基地局100は、インターネット300のクラウドサーバ上に設置されたEPC200と接続し、C−Planeの信号を送受信する。全ての基地局100がP−GWを持つことにより、全体としてはマルチP−GW構成となる点が特徴である。ここで、クラウドサーバに配備された、すなわちインターネット300上に配備されたEPC200の機能部としては、少なくともMME210とHSS220を含む。

0013

一方、比較対象として、図2標準的なLTEシステムのトポロジを示す。基本的にLTE規格ではP−GWはPDN(Packet Data Network)への接続点に対して1箇所設けられるため、P−GWが配下のモバイルネットワークに対してインターネットへのアクセスの経路を提供する。従ってP−GWは1つの管理されたモバイルネットワークに対して、1箇所等、ごく少数の配備がなされることが一般的である。

0014

図3に本実施の形態における無線基地局の機能構成図を示す。無線基地局100は、LTEのP−GW機能に相当するP−GW機能部121、およびS−GW機能に相当するS−GW機能部122を具備し、また標準のLTEのeNodeB機能に相当するeNodeB機能部110を具備する。更に、無線基地局100は、暗号化経路設定機能部130を備える。この暗号化経路設定機能部130により、図2に示すように、各基地局100間での暗号化経路をインターネット300上に設定し、閉域のネットワークを形成する。この暗号化経路設定機能の実装例としては、例えばIPsecやPPTP(Point to Point Tunneling Protocol)、SSL(Secure Socket Layer)技術等の機能によるインターネットVPN機能である。

0015

図4に本技術におおけるMMEの機能構成を示す。MME210は、LTEの標準的なMMEの機能部211に加えて、基地局間接管理部212とUEの帰属先P−GW管理部213とを備える。

0016

図5にHSSの機能構成を示す。本発明のHSS220はLTEの標準的なHSSの機能部221に加えて、UEの帰属先P−GW管理DB(Data Base)222、および無線基地局認証管理DB223を備える。

0017

図6にUEの帰属先P−GW管理DBの構成例を示す。図6に示すように、UEは、帰属先の無線基地局100のP−GW機能部121を識別するID及びそのIPアドレスにより、現在の帰属先をデータベースで管理される。

0018

図7に無線基地局認証管理DBにおける管理情報の例を示す。図7に示すように、無線基地局100は、それぞれの基地局100が持つP−GW機能部121の識別ID(P−GW ID)とその基地局100を、本発明が構成するモバイルネットワークへの接続を認証するための認証情報、および、モバイルネットワークへの登録状況と、基地局間の暗号化経路の設定状況を管理するデータベースにより管理される。

0019

図8に本発明の無線基地局がモバイルネットワークに接続される場合のシーケンスを示す。無線基地局100は、インターネット回線に接続され、インターネット300上にあるEPC200へのアクセスが可能となると、自身の識別子であるP−GW IDを含んだ登録要求を行なう(ステップS1)。

0020

EPC200内では、MME210の基地局間接続管理部212が登録要求を受信し(ステップS2)、HSS220の無線基地局認証管理DB223に対して認証要求を行なう。HSS220は、P−GW IDからその基地局の認証情報を参照し(ステップS3)、無線基地局100と認証処理を行なう(ステップS4)。HSS220は、認証が成功した場合、登録を許可し、無線基地局認証管理DB223に登録を行なう(ステップS5〜S7)。登録された無線基地局100はMME210の基地局間接続管理部212に登録したモバイルネットワークに既に登録されている基地局リストを要求する(ステップS8)。MME210は、HSS220の無線基地局認証管理DB223から情報を取得し(ステップS9,S10)、P−GWのIPアドレスを含んだ基地局のリスト回答する(ステップS11)。その基地局のIPアドレス情報を用いて、無線基地局100は各基地局に対して、暗号化経路の設定を行なう(ステップS12)。各基地局との暗号化経路の設定結果はMME210に通知され(ステップS13,S14)、HSS220の無線基地局認証管理DB223に格納される(ステップS15)。

0021

図9に本発明の無線基地局がモバイルネットワークから削除される場合のシーケンスを示す。離脱する無線基地局100は、MME210の基地局間接続管理部212に対して自身のP−GW IDを含んだ削除要求を送信する(ステップS21)。MME210はHSS220の無線基地局認証管理DB223の登録内容を変更し、帰属を削除する(ステップS22,S23)。その後完了結果を通知する(ステップS24,S25)。尚、本手順は基地局100からの要求があった場合を例示したが、一定時間無線基地局100の生存が確認できない場合に自律的にMME210の基地局間接続管理部212が無線基地局認証管理DB223の登録を変更することもあり得る。

0022

図10に本発明のモバイルネットワークへのUEの帰属の手順を示す。UE10は通常のLTEの手続きと同様に無線接続、認証処理を行い、モバイルネットワークへのアタッチを行なう(ステップS31〜S35)。このアタッチ処理において、MME210のUEの帰属先P−GW管理部213は、HSS220のUEの帰属先P−GW管理DB222に対して、帰属先P−GWの情報を格納する(ステップS36〜S38)。

0023

図11に本発明のモバイルネットワークへのUEの帰属解除の手続きを示す。UE10は通常のLTEの手続きと同様にデタッチ処理を行う(ステップS41〜S43)。このデタッチ処理において、MME210のUEの帰属先P−GW管理部213はHSS220のUEの帰属先P−GW管理DB222に対して、帰属先P−GWの情報変更を指示し、帰属の解除を行なう(ステップS44)。

0024

図12に本発明のモバイルネットワークにおいて、異なる無線基地局配下に接続されたUE間での通信を開始する際の手順を示す。ここでの通信の開始とは、例えば電話番号による音声通話発呼、もしくは相手先IPアドレスへのパケットの送信を意味する。

0025

無線基地局100#1に帰属しているUE10#1は無線基地局100#2に帰属しているUE10#2に通信を開始する場合、無線基地局100#1に対して発呼の要求を行なう(ステップS51)。ここで無線基地局100#1と#2の間は基地局間において暗号化経路は設定済みとする(ステップS50)。

0026

無線基地局100#1はUE10#2の帰属先のP−GWのIPアドレスをEPCに問い合わせるため、MME210のUEの帰属先P−GW管理部213に対して問い合わせを行なう(ステップS52)。MME210はHSS220の帰属先P−GW管理DB222および無線基地局認証管理DB223を参照し、UE10#2の帰属先P−GWのIPアドレスを取得し回答する(ステップS53〜S56)。

0027

その情報を用いて、無線基地局100#1は無線基地局100#2に対して発呼を行い(ステップS57)、無線基地局100#2がUE10#2に対して呼び出しを行い発呼を通知することでUE間の通信を開始する(ステップS58)。

0028

以上、本発明の一実施の形態について詳述したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態ではMME210及びHSS220をクラウドサーバに配備する形態としたが、インターネット300に設置するのであればその配備形態は不問である。

0029

また、上記実施の形態では、無線基地局100内においてP−GW機能部121とS−GW機能部122をそれぞれ個別に実装したが、両機能部を1つのP/S−GW機能部として一体に実装するようにしてもよい。

0030

また、上記実施の形態では、MulteFireのようなアンライセンスバンドのLTE基地局について詳述したが、ライセンスバンドを使用する無線基地局でも本発明を実施することできる。

0031

100…無線基地局
110…eNodeB機能部
121…P−GW機能部
122…S−GW機能部
130…暗号化経路設定機能部
200…EPC
210…MME
211…標準MME機能部
212…基地局間接続管理部
213…UEの帰属先P−GW管理部
220…HSS
221…標準HSS機能部
222…UEの帰属先P−GW管理DB
223…無線基地局認証管理DB
300…インターネット

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