JP2007528134A - ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方の調整 - Google Patents

Abstract

ライセンスのない周波数帯域（２４）における無線リソースの使い方を調整するシステムおよび方法を提供する。具体的には、本発明により、ライセンスのない周波数帯域（２４）内で無線システム（２０Ａ〜Ｃ）がどのように動作するかを管理するスペクトル・エチケット・ルール・セットが提供される。典型的な実施形態において、スペクトル・エチケット・ルール・セットはさまざまな周波数チャネル帯域幅で動作する無線システム（２０Ａ〜Ｃ）に対応できる。この点で、こうしたスペクトル・エチケット・ルール・セットは、一般に、チャネル・スイッチ・ルール、帯域幅選択ルール、電力選択ルール、据え置きｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルール、チャネルＬＢＴルール、および同期（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）ＬＢＴルールを含む。

Description

本発明は、一般にライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムおよび方法に関する。具体的には、本発明はライセンスのない周波数帯域内で無線リソースがどのように動作するかを管理するためのスペクトル・エチケット・ルール（ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｅｔｉｑｕｅｔｔｅ ｒｕｌｅｓ）・セットを提供する。

無線スペクトルの使い方と電波放出（ｒａｄｉｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）の規制は、国の規制機関によって調整される。無線規制の一環として、無線スペクトルは周波数帯域に分割され、周波数帯域利用のライセンスは通常は１０年または２０年という長期にわたってオペレータに提供される。一般に、さまざまな周波数帯域がさまざまな無線サービスに割り当てられている。一般的な無線サービスには、たとえば無線航法（ｒａｄｉｏ−ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）や無線標定（ｒａｄｉｏ−ｌｏｃａｔｉｏｎ）、モバイル通信、テレビジョン（ＴＶ）放送などがある。ライセンスを与えられたオペレータは、通常は無線サービスを提供するための個々の無線リソースを排他的に利用する権利を有する。したがって、オペレータは他のオペレータと無線リソース（特定の場所と時間における周波数チャネル）を共有する必要がない。無線リソースを排他的に利用する権利があるので、こうした無線サービスはプライマリ（ｐｒｉｍａｒｙ）無線サービスと呼ばれる。同様に、プライマリ無線サービスを提供する無線システムはプライマリ無線システムと呼ばれる。一般に、無線システムは無線ＬＡＮにおける通信デバイスのグループ、たとえば通信無線ステーションのグループを表す。

特定の周波数帯域のライセンスを与えられたオペレータは、無線サービスを提供するために割り当てられた帯域の無線リソースを排他的に利用する権利をしばしば有するので、このような周波数帯域は非効率的に使用されることがある。規制機関（ｒｅｇｕｌａｔｏｒｙ ｂｏｄｉｅｓ）では無線リソースの利用効率を高めようとしているので、上記のことはこうした機関にとって不利益である。これに代わる規制の方法は、無線スペクトルの使い方をライセンスのない周波数帯域で調整することである。ライセンスのない周波数帯域内で、無線システムは動作時に自律的に無線リソースの使い方を調整する。この意味で、ライセンスのない無線サービスはセカンダリ無線サービスと呼ばれており、セカンダリ無線サービスを提供する無線システムはセカンダリ無線システムと呼ばれる。

しかし、このアプローチによって発生する問題は、無線リソースに関して競合するライセンスのない無線システム間でリソースの効率的な共有を実現するにはどうすればよいかということである。特に、今後の無線通信システムは、信頼性や遅延に関する制約などのＱｕａｌｉｔｙ−ｏｆ−Ｓｅｒｖｉｃｅ （ＱｏＳ）要件に基づく高速のデータ転送をサポートする必要がある。ライセンスのない周波数帯域は公共的に利用できるので、大規模な無線サービスのセットにとって有望である。しかし、ライセンスのない周波数帯域は、無線リソースの使い方を明確に調整した場合にのみ効率的に利用できる。残念ながら、既存のシステムではライセンスのない周波数帯域については無線リソースの使い方を調整できない。

前述の観点において、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムおよび方法が必要とされている。具体的には、ライセンスのない周波数帯域内において無線システムによって無線リソースの使い方を管理するのに役立つことができるスペクトル・エチケット・ルール・セットが必要とされている。さらに、さまざまな周波数チャネル帯域幅で動作する複数の無線システムに対応することができるスペクトル・エチケット・ルール・セットも求められている。

本発明は、一般にライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムおよび方法を提供する。具体的には、本発明により、ライセンスのない周波数帯域内での無線システムがどのように動作するかを管理するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットが提供される。典型的な実施形態において、スペクトル・エチケット・ルール・セットはさまざまな周波数チャネル帯域幅で動作する無線システムに対応できる。この点で、こうしたスペクトル・エチケット・ルールは、一般に、（１）使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて無線システムの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルール（ｃｈａｎｎｅｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｒｕｌｅ）、（２）無線システムの帯域幅消費を無線システムの帯域幅要件に基づいて参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）チャネル帯域幅に制限する帯域幅選択ルール、（３）無線システムの帯域幅消費に基づいて無線システムの電力消費を所定のレベルに制限する電力選択ルール、（４）無線システムに対して、通信する前に、空いている周波数チャネルの走査を要求する据え置き（ｄｅｆｅｒｒｉｎｇ）ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルール、（５）無線システムに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内にあるすべての周波数チャネルの走査を要求するチャネル（ｃｈａｎｎｅｌｉｚｅｄ）ＬＢＴルール、および（６）無線システムに対して、参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にＬＢＴプロセスの同期化を要求する同期（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ）ＬＢＴルールを含む。

本発明の第１の態様は、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムであって、ライセンスのない周波数帯域で動作する複数の無線システムと、前記複数の無線システムによって無線リソースの使い方を調整するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットとを備えており、前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは前記複数の無線システムの少なくとも１つに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記複数の無線システムの少なくとも１つの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルールを含むシステムを提供する。

本発明の第２の態様は、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムであって、参照チャネル無線システム、ナロー（ｎａｒｒｏｗ）・チャネル無線システム、およびワイド（ｗｉｄｅ）・チャネル無線システムを含み、参照チャネル帯域幅は参照チャネル無線システムに基づいて定義される複数の無線システムと、ナロー・チャネル無線システムに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいてナロー・チャネル無線システムの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルールを含む、複数の無線システムによって無線リソースの使い方を調整するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットとを含むシステムを提供する。

本発明の第３の態様は、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整する方法であって、参照チャネル無線システムに基づいて参照チャネル帯域幅を定義すること、およびナロー・チャネル無線システムに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記ナロー・チャネル無線システムの動作周波数チャネルを決定することを含む方法を提供する。

したがって、本発明は、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムおよび方法を提供する。

本発明のこうした機能およびその他の機能は、本発明のさまざまな態様の以下の詳細な説明に添付の図面を関連付けることで、より深く理解されることができるであろう。

図面は図式化された表現にすぎず、本発明の特定のパラメータを表現するものではない。こうした図面は、本発明の典型的な実施形態を表すものにすぎず、したがって、本発明の範囲に対する限定と理解されるべきではない。図面内で、類似の番号は類似の要素を表している。

前述のように、本発明は、ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整する方法を提供する。具体的には、本発明により、ライセンスのない周波数帯域内で無線システムがどのように動作するかを管理するスペクトル・エチケット・ルール・セットが提供される。典型的な実施形態において、このスペクトル・エチケット・ルール・セットは、変化するチャネル帯域幅で動作する無線システムに対応できる。この点で、こうしたスペクトル・エチケット・ルールには、一般に、（１）使用中の動作周波数チャネルへの近接に基づいて無線システムの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルール（ｃｈａｎｎｅｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｒｕｌｅ）、（２）無線システムの帯域幅消費を無線システムの帯域幅要件に基づいて参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）チャネル帯域幅に制限する帯域幅選択ルール、（３）無線システムの帯域幅消費に基づいて無線システムの電力消費を所定のレベルに制限する電力選択ルール、（４）無線システムに対して、通信する前に、空いている周波数チャネルの走査を要求する据え置きｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルール、（５）無線システムに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内にあるすべての周波数チャネルの走査を要求するチャネルＬＢＴルール、および（６）無線システムに対して、参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にＬＢＴプロセスの同期化を要求する同期ＬＢＴルールが含まれる。

前述のように、規制機関は無線リソースの使い方を調整し、それにより最も効率的な利用が実現されるように試みている。これは、ライセンスのない周波数帯域が導入された理由の１つである。ライセンスのない周波数帯域は、任意のタイプの無線サービスが許可されている無線スペクトルの一部であり、あらかじめ定義された一連の規制基準を満たす任意のタイプの無線システムが使用できる。これらの基準は、特に放射電力の制限、帯域外の放射、アンテナ特性などの無線パラメータを規制する。ライセンスを付された方法とは対照的に、さまざまな無線システムのさまざまな組み合わせはライセンスのない周波数帯域内の同じ無線リソースを使用して動作できる。ライセンスのない周波数帯域の利点として、無線リソースの共有が可能であり、使用可能な無線リソースはより多くの場所で、より頻繁に使用され、これによって効率を向上できる。

一般的に、ライセンスのない周波数帯域は、たとえば２．４ＧＨｚ帯域などのＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ，Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）帯域や、５ＧＨｚ帯域などのＵ−ＮＩＩ（Ｕｎｌｉｃｅｎｓｅｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）帯域（米国国内）を対象とする。ＩＳＭ帯域とＵ−ＮＩＩ帯域の違いは、Ｕ−ＮＩＩ帯域で動作する無線システムは、主に通信サービスを提供するが、ＩＳＭ帯域では任意のタイプの無線システムが動作できることである。つまり、ＩＳＭ帯域で動作する無線システムは、必ずしも通信サービスを提供しない。たとえば、電子レンジはＩＳＭ帯域のエネルギーを放射することができる。５ＧＨｚ帯域におけるプライマリ無線サービスは、無線航法と無線標定である。セカンダリ無線システムには規制基準が定義されているので、プライマリ無線システムはセカンダリ無線システムからの干渉が存在する状態でも変わりなく動作できる。

ライセンスのない周波数帯５ＧＨｚは、５．１５ＧＨｚと５．８２５ＧＨｚの間の無線スペクトルを対象とする。図１は、米国国内（チャネル１０で表される）とヨーロッパ（チャネル１２で表される）で定義されるこの周波数帯域を示している。まず、図１は５ＧＨｚ周波数帯域の説明を目的とした図であることを理解されたい。したがって、ここに示される値は変更できる。いずれの場合も、図１に示すチャネル（ｃｈａｎｎｅｌｉｚａｔｉｏｎ）は、無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）で適用される直交波周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送方式を表している。図示するように、帯域はチャネル１０と１２の２つの領域にわたって実質的に調和している。さらに、ＩＥＥＥ ８０２．１１（ａ）標準では、チャネル１０とチャネル１２は重複していないと見なされる（重複可能な２．４ＧＨｚ ＩＳＭ帯域内のチャネルとは対照的である）。米国国内では、連続するスペクトルの３つのＵ−ＮＩｌ周波数帯域１４Ａ〜Ｃは５．１５ＧＨｚと５．８２５ＧＨｚの間に割り当てられ、現在無線ＬＡＮに使用されている２０ＭＨｚの１２の周波数チャネルに至る。合計３００ＭＨｚのスペクトルが、Ｕ−ＮＩＩ周波数帯域のセカンダリ無線サービスに解放されている。しかし、２００３年末までにさらに１１チャネル１６（５．４７ＧＨｚと５．７２５ＧＨｚの間の２５５ＭＨｚ）の追加が提案されている。

ヨーロッパでは、無線規定によって連続スペクトルの２つの帯域幅内で１９の２０ＭＨｚ周波数チャネル１８Ａ〜Ｂで動作できる。合計４５５ＭＨｚのスペクトルがセカンダリ無線サービスで利用できる。無線ＬＡＮは、周波数チャネルと送信出力を動的に選択することで、プライマリ無線システムとスペクトルを共有するために帯域全体を使用する必要がある。本発明をあまり複雑でない無線システムで実施できるように、米国国内の基準と同様に、スペクトルの低い部分（５．３５ＧＨｚより下）でセカンダリ無線システムは、動的なチャネル選択と電源管理を実施せずに動作できる。ヨーロッパでは、より高いアンテナ・ゲインが得られ、これに対応して送信出力が低下する（等価等方放射電力（ＥＩＲＰ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃａｌｌｙ Ｒａｄｉａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ）は限界以下のままである）。

図１に示す５ＧＨｚ帯域などのライセンスのない周波数帯域は、大規模な無線サービスのセットの組み合わせに利用できる可能性がある。しかし、ライセンスのない周波数帯域での無線リソースの利用は、こうしたライセンスのない帯域で、将来できるだけ多くの無線システムが動作できるように注意して調整されなければならない。無線スペクトルは有限で限定されたリソースなので、スペクトルの効果的な使い方を実現する必要があり、無線システム間でリソースを公正に共有する必要がある。したがって、本発明は、図１に示すようなライセンスのない周波数帯域でのリソースの使い方を調整するスペクトル・エチケット・ルール・セットを提供する。スペクトル・エチケット・ルール・セットは、複数の目的を果たすため、主に無線システムの動作を定義する。第１に、すべての無線システムがスペクトル・エチケット・ルール・セットに従う場合、共有無線リソースへのアクセスの公正さが維持され、第２に、周波数帯域がより効率的に使用される。さらに、スペクトル・エチケット・ルール・セットは、ある無線システムが他の無線システムで実行中の動作を認識せずに動作したときに無線システム間で発生する好ましくない相互作用を軽減しようとする。いずれにしても、本発明によるスペクトル・エチケット・ルール・セットは、任意の無線システムとは無関係に定義されており、可能な任意の伝送方式（たとえば、スペクトル拡散（ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）、直交周波数分割多重（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＯＦＤＭ）、またはＵｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ（ＵＷＢ））と、可能な任意の多重アクセス方式（時／周波数／コード分割多重アクセス（Ｔｉｍｅ／Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：Ｔ／Ｆ／ＣＤＭＡ）、または搬送波感知多重アクセス（Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：ＣＳＭＡ））をカバーすることを目的とする。したがって、本発明により、ライセンスのない周波数帯域が効率的に使用されることを保証するスペクトル・エチケット・ルール・セットが提供される。

スペクトル・エチケット・ルール・セットは、プロトコルを定義しないこと、１つの無線標準に制限されないことを理解されたい。さらに、本発明のスペクトル・エチケット・ルール・セットは、一般的にはすべての無線システムによる無線リソース全体の管理を説明するアルゴリズムではない。むしろ、各無線システムは、スペクトル・エチケットの制約内で独自のアルゴリズムを適用できる。スペクトル・エチケットは、個々の無線システムによる無線リソース管理の自由度を制限できる動作のフレームワークを提供する。それにもかかわらず、さまざまな無線システムによって適用されるさまざまなアルゴリズムは、スペクトル・エチケットが使用されている場合でも、それらを識別できるであろう。

次に図２を参照すると、ライセンスのない周波数帯域２４の簡易モデルにおける無線リソースの使い方が示されている。図１と同様に、図２は説明のみを目的とすること、および本発明の教示はライセンスのない任意のタイプの周波数帯域および／または無線システムの配置と組み合わせて実施されることができることを理解されたい。いずれの場合も、図２はライセンスのない周波数帯域２４内で動作する３つの異なるタイプの無線システム２０Ａ〜Ｃを示している。この３つは異なる周波数チャネル帯域で動作する。無線システム２０Ａは、参照チャネル無線システムと見なされ、３つの周波数チャネル（中心周波数は、ｆ_２、ｆ_５、ｆ_８）で動作する。無線システム２０Ａは（ＯＦＤＭを使用して）、５ＧＨｚ帯域で動作する無線ＬＡＮと比較されることができる。無線システム２０Ａは、参照チャネル・システムとして、スペクトル・エチケット・ルール・セットでサポートされるターゲット・チャネルとして使用される「参照周波数グリッド」を定義する。この点で、無線システム２０Ａのチャネル２２は、無線システム２０Ａ〜Ｃの「参照チャネル帯域幅」を表すと考えられる。無線システム２０Ｂは、ナロー・チャネル無線システムと見なされ、９個の周波数チャネル（中心周波数はｆ_１．．．ｆ_９）で動作する。たとえば、無線システム２０Ｂは限定された数の音声電話などをサポートするナローバンド無線システムを表すことができる。無線システム２０Ｃは、ワイド・チャネル無線システムと見なされ、１つの周波数チャネル（中心周波数はｆ_５）で動作する。たとえば、無線システム２０Ｃは、ライセンスのない帯域またはスペクトル拡散で動作するＵＷＢなどのブロードバンド伝送方式を使用する無線システムを表すことができる。本明細書では、「ナローバンド」と「ブロードバンド」という用語が参照帯域幅に関連して使用されている。図２で詳細に示すように、周波数チャネルは互いに重複する。図２の周波数チャネルの数量と帯域幅は既存のライセンスのない任意の帯域を表しているわけではないこと、この利用モデルはモデルの例としてのみ使用されていることを理解されたい。

無線システム２０Ａ〜Ｃ間で使用される無線リソースを調整するために、スペクトル・エチケット・ルール・セットが提供される。３つの無線システムに対して定義できるさまざまなスペクトル・エチケット・ルールが存在する。スペクトル・エチケット・ルールには、以下でアクションと呼ばれ、無線システム２０Ａ〜Ｃによって提供されるメカニズムが必要である。この点について、基本的なアクションのセットは次のように定義される。
Ｉ．アクション「ＴＰＳ」：送信出力の選択
無線システムは、チャネルの状態や観測される干渉により、さまざまな送信出力で動作する可能性がある。これは、本明細書では送信出力の選択（ＴＰＳ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。送信出力が高くなれば、他の無線システムへの干渉も強くなる。しかし、送信出力が高まると通信のエラーが減少する。
ＩＩ．アクション「ＣＨＳ」：チャネルの選択
無線システムは、チャネルの状態と観測される干渉に基づいて、動作する周波数チャネルを変更できる。これは、本明細書ではチャネルの選択（ＣＨＳ：Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。新しいチャネルをいつ選択するか、およびどのチャネルを選択するかを決定する意思決定プロセスに基づいて、ＣＨＳは他のチャネルを選択する無線システムに対してだけではなく、他のすべての無線システムにとっても有利であることがある。
ＩＩＩ．アクション「ＢＷＳ」：帯域幅の選択
図２で示されているものを拡張する上で、無線システムは無線サービスとチャネルの状態によってさまざまなチャネル帯域幅を選択する可能性がある。これは、本明細書では帯域幅の選択（ＢＷＳ：Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ）と呼ばれる。ＢＷＳを適用する無線システムは、図２に示す任意のチャネルで動作できる。ＢＷＳには並行して動作する複数のナローバンド・チャネルがある。
ＩＶ．アクション「ＬＢＴ」：Ｌｉｓｔｅｎ Ｂｅｆｏｒｅ Ｔａｌｋ
ＬＢＴ（Ｌｉｓｔｅｎ Ｂｅｆｏｒｅ Ｔａｌｋ）はＣＳＭＡとしても知られており、スペクトル・エチケットのコンテキストでたびたび説明される。ＬＢＴで動作する無線システムは、ある程度無線リソースの公平な共有を実現できる。ＬＢＴでは、無線リソースへのアクセスの管理は、無線システム間で分散され、したがって個々の無線システムでその無線サービスをサポートできるかどうかを決定することは困難である。

本発明において、上にリストアップしたようなアクションをとることを「動作（ｂｅｈａｖｉｏｒ）」と呼ぶ。アクションをとるエンティティは無線システムである（たとえば無線システム２０Ａ〜Ｃ）。スペクトル・エチケット・ルールは、無線システム２０Ａ〜Ｃがあるイベントを検出したときに特定の動作を選択するための命令である。本発明のスペクトル・エチケット・ルール・セットを導入する前に、アクション空間とは無関係の基盤となる仮定について説明する。前述のように、無線システム２０Ａのチャネルは、周波数チャネルの参照グリッドを決定する。このように、無線システム２０Ａの帯域幅は、以下で参照帯域幅と呼ばれるものを決定する。無線システム２０Ｃなどの広い帯域幅で動作する無線システムに適用するルールは、参照帯域幅の無線システム（無線システムＡ）またはより狭い帯域幅の無線システム（無線システムＢ）に適用されるルールとは異なることがある。一般に、参照チャネルと参照帯域幅についての知識は、過去の測定の履歴やあらかじめ定義された参照周波数グリッドの使用によって入手でき、通常はすべての無線システムに対して事前に知られている。

周波数チャネルで干渉を走査する場合に、通常は複数の隣接する周波数チャネルが同時に走査される。さまざまな周波数チャネルの測定時の相互相関により、その他の無線システムが、測定中の無線システムより広いチャネル帯域幅で動作しているかどうか推定できる。隣接するナローバンド周波数チャネル上で検出された干渉に相関性がある場合は、複数の独立したナローバンド・チャネルの代わりに１つのブロードバンド周波数チャネルとして各チャネルを使用することにより、これらすべての周波数チャネルで無線システムが動作していると結論できる。

無線システム２０Ａ〜Ｃは、その動作を動的に変更して環境に適応する。一般的な仮定として、無線システムがその動作を変更する場合は、無線リソースと競合するその他の無線システムがその無線リソース利用における今後の変化を予測できるように動作する必要がある。たとえば、無線システムはあらかじめ選択されたアクションの履歴がその現在の動作および将来の動作に相関するように動作してもよい。この意味で、無線システム２０Ａと２０Ｂは、参照帯域幅より広い帯域幅で周波数チャネルを動的に変更できることが想定される。さらに、ライセンスのない帯域全体の帯域幅がそのチャネル帯域幅より広い場合、無線システム２０Ｃは動的に周波数チャネルを選択できる必要がある。上で定義され、ＴＰＳ、ＣＨＳ、ＢＷＳ、およびＬＢＴと呼ばれる４つのアクションを使用すると、次のルールはライセンスのない帯域でのスペクトル・エチケット・ルール・セットに関する作業上の仮定と見なすことができる。次のすべてのルールは、ライセンスのない帯域幅のサブバンド（ｓｕｂ−ｂａｎｄｓ）、またはライセンスのない周波数帯域全体に適用できる。

ルール１「帯域幅選択ルール」
参照帯域幅より広くないチャネル帯域幅を要求する無線サービスをサポートする無線システムは、参照チャネル帯域幅より広いチャネル帯域幅で動作するべきではない。要求されたチャネル帯域幅のみを割り当て、アクションＢＷＳを使用して、動作するための参照帯域幅またはさらに狭いチャネル帯域幅を選択する必要がある。たとえば、無線システム２０Ｃが参照チャネル帯域幅２２より広い帯域幅を要求しない場合は、これを上回って消費すべきではない。しかし、無線システム２０Ｃが大量のデータを送信する必要がある場合は、図１に示すようにその通常の帯域幅を消費できる。したがって、このルールは、その帯域幅要件に基づいてワイド・チャネル無線システム２０Ｃなどの無線システムの帯域幅の消費を制限する。このルールは、たとえば、周波数ホッピング（ＦＨ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ）スペクト拡散無線システムにおけるホッピング・シーケンスの順応性のある変更を表しており、送信出力があるしきい値、一般的にはＵＷＢを下回る場合は適用されない。

ルール２：「電力選択ルール」
参照帯域幅より広いチャネル帯域幅で動作する無線システム（たとえば無線システム２０Ｃ）は、送信出力があらかじめ定義されたレベルより下に制限することによって他の無線システムへの干渉を制限する必要がある。したがって、無線システムの電力消費はその帯域幅消費に基づいて制限される。これは一般的であり、無線システムの帯域幅の消費が増大するにつれて、その電力消費は減少するはずである。このルールは、無線システム２０Ｃによって適用されることができ、スペクトル拡散またはＵＷＢを適用するシステムによっても適用されることができる。いずれの場合も、帯域幅選択ルールと電力選択ルールは互いに補足的であることに留意されたい。たとえば、無線システム２０Ｃ（あるいは、スペクトル拡散またはＵＷＢで動作するその他の無線システム）が帯域幅選択ルールによってそのチャネル帯域幅を変更できない場合は、電力選択ルールが適用されるはずである。

ルール３：「チャネル選択ルール」
無線システムは、使用中の動作周波数チャネルへの動作周波数チャネルの近接性に基づいて、動作周波数チャネルを選択するであろう。特に、周波数チャネルの切り替えについて決定する場合は、無線システム２０Ｂなどの無線システムは、干渉を受ける参照チャネルの数を最小にするために、他のタイプ２０Ｂ周波数チャネルに近いスペクトルの周波数チャネルを優先する必要がある。これは、本明細書ではグループ化と呼ばれる。このルールは、参照チャネル帯域幅２２（時間内に相関関係のある隣接するチャネルへの干渉を介して識別される）を有する無線システムが存在する場合にのみ適用してもよい。または、他の無線システムの存在に関係なく、常に適用してもよい。グループ化は、好ましい周波数チャネルのあらかじめ定義されたリストを使用して実現されることができる。たとえば、無線システム２０Ｂは、初期動作周波数チャネルとしてｆ_１を常に選択してもよい。また、このチャネルがすでに使用されている場合、無線システム２０Ｂは次に周波数チャネルｆ_２上で動作しようとする。この周波数チャネルがすでに割り当てられている場合、空いている周波数チャネルが見つかるまで、次の隣接チャネルの選択を続ける。

ルール４：「据え置きＬｉｓｔｅｎ Ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルール」
このルールでは、無線システム２０Ａ、２０Ｂおよび／または２０Ｃは動作時にＬＢＴを適用する必要がある。たとえば、通信を開始する前に、無線システム２０Ａおよび／または２０Ｂは空いているチャネルを「走査」する必要がある。

ルール５：「チャネルＬＢＴルール」
このルールは据え置きＬＢＴルールに関連しており、一般的に無線システム２０Ｂなどのナロー・チャネル無線システムに適用され、該当する無線システムが、無線システムが動作するナローバンド周波数チャネルだけでなく、参照チャネル帯域幅２２全体を走査することを要求する。たとえば、無線システム２０Ｂが周波数チャネルｆ_２で「トーク（ｔａｌｋ）」（通信）を希望する場合は、通信を開始する前にｆ_１、ｆ_２、ｆ_３を走査する必要がある。

ルール６：「同期ＬＢＴルール」
このルールは、据え置きＬＢＴルールにも基づいており、通常は無線システム２０Ｂなどのナローバンド無線システムにも適用される。特に、最も効率的に他の無線システムを保護するために、無線システム２０Ｂ（据え置きＬＢＴルールに従う）は同じ参照チャネルと重複する近隣の周波数チャネル（たとえば、ｆ_１、ｆ_２およびｆ_３）全体にわたってそのＬＢＴプロセスを時間内に同期化する必要がある。

図２に示す例示的な無線システム２０Ａ〜Ｃに基づき、上記のルールによって、（１）帯域幅選択ルールと電力選択ルールは無線システム２０Ｃに適用され、（２）チャネル選択ルール、チャネルＬＢＴルール、同期化ＬＢＴルールは無線システム２０Ｂに適用され、さらに（３）据え置きＬＢＴルールは無線システム２０Ａおよび２０Ｂに適用される。

実験例
次の例では、据え置きＬＢＴルール、チャネルＬＢＴルールおよび同期ＬＢＴルールが評価されている。結果は、参照チャネル無線システム２０Ａがこれらのルールによってどのように保護されたかに関連して説明される。これは、利用モデルの確率論的なシミュレーションがこの説明のために使用されている。

この例では、図２の無線システム２０Ｃなどの１つのワイド・チャネル無線システム（中心周波数ｆ_５の１つのブロードバンド・システム、たとえば、本明細書の以下の部分でタイプ２０Ｃの無線システムと呼ぶＵＷＢ）、無線システム２０Ａなどの３つの参照チャネル無線システム（中心周波数ｆ_２、ｆ_５およびｆ_８の３つの参照システム、たとえば本明細書の以下の部分でタイプ２０Ａの無線システムと呼ぶ８０２．１１（ａ））、無線システム２０Ｂの無線システムなどの９つのナロー・チャネル無線システム（中心周波数ｆ_ｌ…ｆ_９ごとに１つの無線システムを持つ９つのナローバンド・システム。本明細書の以下の部分でタイプ２０Ｂの無線システムと呼ぶ）がシミュレートされている。詳細なプロトコルをモデル化する代わりに、簡素化されたＬＢＴがすべての無線システムに使用された。無線システムが無線リソースを割り当てようとする場合に、無線システムは周波数チャネルを走査して無線リソースがビジーかアイドルかを判断する。走査は遅延なしに、即時に実行される。しかし、タイプ２０Ａの無線システムでは、無線リソースを割り当てる前に３つの周波数チャネルのそれぞれがアイドルになる必要がある。タイプ２０Ｃの無線システムでは、無線リソースを割り当てる前にスペクトル全体までもがアイドルにならなければならない。したがって、ＬＢＴは、このブロードバンド無線システムに対して前述のスペクトル・エチケット・ルールとしては提示されていない。

それぞれのチャネルがアイドルの場合に限り、無線システムは無線リソースを割り当てる。それ以外の場合は、チャネルがアイドルになるまで走査を継続する。２つ以上の無線システムが同時にこのチャネルがアイドルであることを検出した場合は、割り当ての試みの競合が発生する。シミュレーションのシナリオでは、異なる無線システムからのリソースの割り当てで競合を完全な回避が想定されている。２つ以上の無線システム（たとえば、周波数チャネルｆ_１で動作しているタイプ２０Ｂの無線システムと、周波数チャネルｆ_１〜ｆ_３で動作し、走査しているタイプ２０Ａの無線システム）が同じ無線リソースを割り当て（使用、占有）ようとした場合は、無線システムの１つがランダムに選択されて、無線リソースを割り当てる。他の無線システムは据え置かれてチャネルの走査を続行する。この競合回避をモデル化する方法は、各スロット間の間隔がは非常に小さく、無限の数のスロットを持つバックオフ・ウィンドウを近似する。

さらに、チャネルはビジーとアイドルのいずれかであるような理想的なチャネルが想定される。無線システムは、常に他の無線システムによる無線リソースの割り当てを検出する。トラフィック・モデルに関しては、すべての無線システムは常に同じトラフィックを提供された。提供されたトラフィックは、無線システムごとに２つのランダムなプロセスでモデル化されている。すなわち、到着する間隔は負の指数分布に従い、平均時間は０から０．７の間で変化する。無線リソースのアクセス間隔は、０ｍｓから２ｍｓの間で一様分布する（１ｍｓ＝１ミリ秒）。理想的なシミュレーション・シナリオでは、走査が即座に実行されるので、走査時間は存在しない。

結果を計算すると、無線システム・タイプごとの平均的なエアタイムが得られる。ａｉｒｔｉｍｅ（エアタイム）は、以下に示す無線システム・タイプごとの割り当て時間とシミュレーション時間の比率を表す。

ここで、Ｎ_Ａ＝３、Ｎ_Ｂ＝９、Ｎ_Ｃ＝１である。エアタイムは、無線システムが割り当てることができるリソースの共有を特徴付ける。

用語「ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ（ｉ）（割り当て時間（ｉ））」は、無線システム「ｉ」が無線リソースを割り当てた累積時間を表すことを理解されたい。これは無線システムあたりのスループットを示そうとしたものではないことに留意されたい。無線システムは、さまざまなチャネル帯域幅で動作するので、得られるスループットもさまざまである。この例は、結果に示されるように、無線システム間の相互の影響に照準を合わせている。

Ａ．据え置きＬＢＴルールの結果
図３は、無線システムごとに得られたエアタイムを示しており、３つの異なるタイプ２０Ａ〜Ｃの無線システムについて平均されている。無線システムすべてはＬＢＴを実行した。ＬＢＴはナローバンド無線システム（タイプ２０Ｂ）で最も有効な手段であることが図３で分かる。提供されたトラフィックが増大するにつれて、ナローバンド無線システム（タイプ２０Ｂ）のエアタイムが長くなり、他の無線システムによるリソースの割り当てが抑制される。ＬＢＴ単独では無線リソースの適切な共有を実現するのに十分なメカニズムではないことは明らかである。この好ましくない影響を軽減するため、チャネルＬＢＴルールと同期ＬＢＴルールによるＬＢＴ方式の２つの変更が提案される。

Ｂ．チャネルＬＢＴルールの結果
本発明による据え置きＬＢＴルールの１つの変更は、個々のチャネルの代わりに参照チャネルの走査をナローバンド・システムに要求することである（すなわちチャネルＬＢＴルール）。この変更では、たとえば、周波数チャネルｆ_１で動作するタイプ２０Ｂの無線システムは３つの周波数チャネルｆ_１〜ｆ_３を走査するはずである。この３つのすべてのチャネルが同時にアイドルである場合にのみ、タイプＡの無線システムと同様に、タイプＢの無線システムはリソース割り当てを開始することができる。この変更の結果は図４に示されている。この変更は、図３と比較すると、ナローバンド無線システム（タイプ２０Ｂ）のエアタイムに負の影響を与えることが分かり、参照システム（タイプＡ）で得られたエアタイムをわずかに改善することが分かる。タイプ２０Ｂの無線システムはタイプ２０Ａの無線システムと比較すると、まだ同時に送信できるので、依然として大きな利点があることが分かる。タイプ２０Ｂの無線システムは、バックオフの間に互いに干渉することはない。このように、あるタイプ２０Ｂの無線システムがリソースを割り当てると、タイプ２０Ａの無線システムは据え置かれなければならない。しかし、タイプ２０Ｂの無線システムでは並行なリソースの割り当てを同時に開始（事実上同時に開始）することができる。

Ｃ．同期ＬＢＴルールの結果
ナローバンド無線システム（タイプ２０Ｂ）の据え置きＬＢＴルールにおける第２の変更は、前述の同期ＬＢＴルールに従って、時間内に無線リソースの割り当てを同期化することである。ナローバンド無線システムがリソースを同時に割り当てる場合に、タイプ２０Ａの無線システムは同時にアイドル状態にある３つのナローバンド・チャネルを高い確率で走査できる。図５はその結果を示している。これで、参照無線システム（タイプ２０Ａ）は以前より適切に保護され、より大きな共有が実現していることが分かる。したがって、近隣のナローバンド無線システムの無線リソース割り当てを同期化すると、「同期ＬＢＴルール」で説明したように、さまざまなチャネル帯域幅で動作する共存する無線システムの無線リソースの割り当てを管理する助けとなることがある。

本発明の好ましい実施形態に関する以上の記述は、例示と説明のみを目的とするために示されてきた。本発明のすべてを記述することや、本発明を開示した特定の形に限定することは意図されておらず、多くの変更や変形が明らかに可能である。当業者には自明であろうこうした変更や変形は、添付の請求項で定義する本発明の範囲内に含まれることが意図されている。たとえば、５ＧＨｚの周波数帯域が図１〜５に関連して説明されたが、このスペクトル・エチケット・ルール・セットは２．４ＧＨｚ帯域などのライセンスのない任意の周波数帯域に適用されることができることを理解されたい。

米国およびヨーロッパにおける無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ：ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）のライセンスのない５ＧＨｚの周波数帯域を示す図である。 ３つの異なるタイプの無線システムで使用するライセンスのない周波数帯域を示す図である。 ３つの無線システムのすべてが本発明のｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルールを使用して得られた無線システムあたりの平均的なチャネル利用を示すグラフである。 本発明のチャネルＬＢＴルールを利用した場合に得られる３つの無線システムのエアタイム（ａｉｒｔｉｍｅｓ）を示すグラフである。 本発明の同期ＬＢＴルールを利用した場合に得られる３つの無線システムのエアタイムを示すグラフである。

Claims (30)

1. ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムであって、
   前記ライセンスのない周波数帯域で動作する複数の無線システムと、
   前記複数の無線システムによって無線リソースの使い方を調整するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットであって、前記複数の無線システムの少なくとも１つに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記複数の無線システムの少なくとも１つの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルールを含むスペクトル・エチケット・ルール・セットとを含むシステム。
2. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記複数の無線システムの帯域幅消費を前記複数の無線システムの帯域幅要件に基づいて参照チャネル帯域幅に制限する帯域幅選択ルールをさらに含み、前記複数の無線システムのそれぞれは、参照チャネル帯域幅より大きな帯域幅を要求しない限り、参照チャネル帯域幅より帯域幅消費が小さい請求項１に記載のシステム。
3. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記複数の無線システムの電力消費を前記帯域幅消費に基づいて所定のレベルに制限する電力選択ルールをさらに含み、前記電力消費は前記帯域幅消費に反比例する請求項２に記載のシステム。
4. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記複数の無線システムに対して、通信する前に、開いている周波数チャネルの走査を要求する据え置きｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルールをさらに含む請求項１に記載のシステム。
5. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記複数の無線システムの少なくとも１つに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内のすべての周波数チャネルの走査を要求するチャネルＬＢＴルールをさらに含む請求項１に記載のシステム。
6. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記複数の無線システムの少なくとも１つに対して前記参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にＬＢＴプロセスの同期化を要求する同期ＬＢＴルールをさらに含む請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の無線システムは、参照チャネル無線システム、ナロー・チャネル無線システム、およびワイド・チャネル無線システムを備えており、少なくとも１つの無線システムはナロー・チャネル無線システムを含む請求項１に記載のシステム。
8. ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整するシステムであって、
   参照チャネル無線システム、ナロー・チャネル無線システム、および、ワイド・チャネル無線システムを含み、参照チャネル帯域幅は前記参照チャネル無線システムに基づいて定義される複数の無線システムと、
   前記複数の無線システムによって無線リソースの使い方を調整するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットであって、前記ナロー・チャネル無線システムに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記ナロー・チャネル無線システムの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルールを含む前記スペクトル・エチケット・ルール・セットとを含むシステム。
9. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記ワイド・チャネル無線システムの帯域幅消費を前記ワイド・チャネル無線システムの帯域幅要件に基づいて参照チャネル帯域幅に制限する帯域幅選択ルールをさらに含み、前記ワイド・チャネル無線システムは、前記ワイド・チャネル無線システムが前記参照チャネル帯域幅より大きな帯域幅を要求しない限り、前記参照チャネル帯域幅より帯域幅消費が小さい請求項８に記載のシステム。
10. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記ワイド・チャネル無線システムの電力消費を前記帯域幅消費に基づいて所定のレベルに制限する電力選択ルールをさらに含み、前記帯域幅消費が増大すると前記電力消費は減少する請求項９に記載のシステム。
11. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記参照チャネル無線システムと前記ナロー・チャネル無線システムに対して、通信する前に、空いている周波数チャネルの走査を要求する据え置きｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルールをさらに含む請求項８に記載のシステム。
12. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記ナロー・チャネル線システムに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内のすべての周波数チャネルの走査を要求するチャネルＬＢＴルールをさらに含む請求項８に記載のシステム。
13. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは、前記ナロー・チャネル無線システムに対して前記参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にＬＢＴプロセスの同期化を要求する同期ＬＢＴルールをさらに含む請求項８に記載のシステム。
14. ライセンスのない周波数帯域における無線リソースの使い方を調整する方法であって、
    参照チャネル無線システムに基づいて参照チャネル帯域幅を定義すること、および
    ナロー・チャネル無線システムに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記ナロー・チャネル無線システムの動作周波数チャネルを決定することを含む方法。
15. ワイド・チャネル無線システムの帯域幅消費を前記ワイド・チャネル無線システムの帯域幅要件に基づいて参照チャネル帯域幅に制限することをさらに含み、前記ワイド・チャネル無線システムの帯域幅消費は、前記ワイド・チャネル無線システムが前記参照チャネル帯域幅より大きな帯域幅を要求しない限り、前記参照チャネル帯域幅より小さい請求項１４に記載の方法。
16. 前記ワイド・チャネル無線システムの電力消費を前記帯域幅消費に基づいて所定のレベルに制限することをさらに含み、前記帯域幅消費が増大すると前記ワイド・チャネル無線システムの前記電力消費は減少する請求項１５に記載の方法。
17. 前記参照チャネル無線システムと前記ナロー・チャネル無線システムに対して、通信する前に、空いている周波数チャネルの走査を要求することをさらに含む請求項１４に記載の方法。
18. 前記ナロー・チャネル線システムに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内のすべての周波数チャネルの走査を要求することをさらに含む請求項１４に記載の方法。
19. 前記ナロー・チャネル無線システムに対して前記参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）プロセスの同期化を要求することをさらに含む請求項１４に記載の方法。
20. 前記ナロー・チャネル無線システムの前記動作周波数チャネルは前記使用中の動作周波数チャネルに隣接する請求項１４に記載の方法。
21. ライセンスのない周波数帯域で動作する無線デバイスであって、
    前記無線デバイスによって無線リソースの使い方を調整するためのスペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段を備えており、前記スペクトル・エチケット・ルール・セットは前記無線デバイスに関連する使用中の動作周波数チャネルへの近接性に基づいて前記無線デバイスの動作周波数チャネルを決定するチャネル・スイッチ・ルールを含むデバイス。
22. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段は、前記無線デバイスの帯域幅消費を前記複数の無線システムの帯域幅要件に基づいて参照チャネル帯域幅に制限する帯域幅選択ルールを実施する手段をさらに含み、前記複数の無線システムのそれぞれは、前記参照チャネル帯域幅より大きな帯域幅を要求しない限り、前記参照チャネル帯域幅より帯域幅消費が小さい請求項１に記載の無線デバイス。
23. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段は、前記無線デバイスの電力消費を前記帯域幅消費に基づいて所定のレベルに制限する電力選択ルールを実施する手段をさらに含み、前記電力消費は前記帯域幅消費に反比例する請求項２に記載のシステム。
24. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段は、前記無線デバイスに対して、通信する前に、空いている周波数チャネルの走査を要求する据え置きｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ（ＬＢＴ）ルールを実施する手段をさらに含む請求項１に記載のシステム。
25. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段は、前記無線デバイスに対して、通信する前に、参照チャネル帯域幅内のすべての周波数チャネルの走査を要求するチャネルＬＢＴルールを実施する手段をさらに含む請求項１に記載のシステム。
26. 前記スペクトル・エチケット・ルール・セットを実施する手段は、前記無線デバイスに対して前記参照チャネル帯域幅内の隣接する周波数チャネル間で時間内にＬＢＴプロセスの同期化を要求する同期ＬＢＴルールを実施する手段をさらに含む請求項１に記載のシステム。
27. 前記無線デバイスは、ナロー・チャネル無線システムを含む少なくとも１つの無線システムをさらに含む請求項１に記載の無線デバイス。
28. 前記無線デバイスは参照チャネル無線であり、参照チャネル帯域幅は前記参照チャネル無線に基づいて定義される請求項１に記載の無線デバイス。
29. 前記無線デバイスは、ナロー・チャネル無線である、請求項１に記載の無線デバイス。
30. 前記無線デバイスは、ワイド・チャネル無線である、請求項１に記載の無線デバイス。

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