JP2012049642A - 周波数共用型コグニティブ無線通信システムおよびその方法、コグニティブ無線基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】コグニティブ無線通信システムにおいて基地局及び端末で空き周波数の管理を行う際に複数のモードを実装すると共に、コグニティブ無線基地局が自律的に空き周波数をセンシングし、使用する周波数を決定する方法を提供すること。
【解決手段】本システムのコグニティブ無線基地局に、送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシング手段１１２と、少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定手段１１３と、決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築手段１１４とを備える。そしてコグニティブ通信端末に、コグニティブ無線基地局で再構築された使用周波数帯をセンシングし、その使用周波数帯で再構築して通信を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおける周波数の管理方法に関し、特にコグニティブ無線通信システムにおける空き周波数のセンシング方法に係る技術である。

周波数資源の有効利用を図りながら高速な通信を実現する方法として、コグニティブ無線通信方法が研究されている。最初期には特許文献１に示されるように、テレビジョン放送帯域の周波数チャネルの中から、現在地で使用されていない周波数チャネルを判定し、テレビジョン放送に干渉しないように共用する無線機が提案されている。

ところで、コグニティブ無線は、大きく２種に分類することができる。１つはヘテロジニアス型のアプローチである。ヘテロジニアス型とは、複数の無線システムが混在する環境において、コグニティブ無線機がその場所に存在する無線システムについてセンシングを行い、その場で利用できる無線システムのうち最適なものを選択したり、複数を組み合わせて使用するものこともできる。

もう1つは、周波数共用型のアプローチである。周波数共用型とは、コグニティブ無線機がセンシングを行った結果、その場所で使用されていない周波数帯を特定し、その周波数帯を自分の利用したい無線方式・ＭＡＣプロトコルなどを組み合わせて利用するものである。この手法の導入には、すでに周波数帯の割り当てが用途毎に緻密に決められていることや、衛星からの電波など微弱な電波への影響を排除できるか、など社会的、技術的な困難も多い。

上記２種のコグニティブ無線技術における共通の課題としては、既存の無線システムの検出を迅速に且つ確実に行うかが重要となる。この点、本件発明者らにより、コグニティブ無線技術を利用したアーキテクチャとしてコグニティブ無線クラウドを提案している。（非特許文献１、２参照）
本アーキテクチャは、標準化団体IEEE P1900.4においても多くの部分が標準化されている。（非特許文献３参照）

さらに、コグニティブ無線通信システムにおける周波数や通信方式の管理方法に関し、特許文献２、３等の発明を提案している。
特許文献２では、基地局と通信端末が、その現在地における通信可能な無線リンクを検出してネットワーク側の接続方式再構築管理手段に通知する構成であって、接続方式再構築管理手段が、リンクアグリゲーションの態様などを決定する方法が提案されている。その決定に従ってネットワーク側と通信端末側が接続方式を再構築する。

特許文献３では、内部ネットワークと外部ネットワークとの間で通信を中継し、使用者が携帯可能な携帯式通信中継装置において、外部ネットワークのうち、接続する１つ以上のネットワークを予め備えるプロファイル情報に従って自動的に選択する構成が提案されている。

特許文献３において、携帯式通信中継装置が、設置場所における無線LANの使用チャネルを選択する詳細な技術を開示している。本技術では、まず全チャネルをスキャンして空きチャネルを一覧にする。そして、各チャネルの前後の空きチャネル数を計数して、最も前後に空きがあるチャネルを選択する。
本実施例における無線LANのチャネルのように、比較的狭い帯域のチャネルを対象に、しかも既知の通信方式の通信の有無をスキャンすることはそれほど難しくない。しかし、コグニティブ無線通信システムは、無線LANよりもはるかに広い帯域の、様々な通信方式を用いた通信の有無を高精度に検出することが必要であり、上記技術を適用することができない。

特許３５８３９６２号 特許公開２００９−２４６８７５号公報 特許公開２０１０−１８３３７６号公報

H.Harada et al,"A Software Defined Cognitive Radio System:Cognitive Wireless Cloud"IEEE Globecom 2007,2007年11月 宮本他、"[技術展示]コグニティブ無線クラウドシステムの開発−自律分散による無線情報収集−、"信学技報、vol.109、no.155、SR2009-24、pp.13-18、2009年7月 IEEE P1900.4,"Architectural Building Blocks Enabling Network-Device Distributed Decision Making for OptimizedRadio Resource Usage in Heterogeneous Wireless Access Networks,"インターネットＵＲＬhttp://grouper.ieee.org/groups/scc41/4/index.htm(2010年8月24日検索） Stanislav Filin,HiroshiHarada,Homare Murakami,Kentaro Ishizu,and Goh Miyamoto,"IEEE 1900.4 WG on Architecture andEnablers for Optimized Radio & Spectrum Resource Usage,"International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems,2009年10月. 石津 健太郎,村上 誉,宮本 剛,フィリン スタニスラウ,チャン ハグエン,スン チェン,アレムスグド ヨハネス,原田 博司,"省電力かつ高品質なネットワークシステムを実現する広域ヘテロジニアス型コグニティブ無線システム,"電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会,2010年3月. 石津 健太郎,村上 誉,西野 大,下飯坂 圭馬,鈴木 賢,原田 博司,小川 喜祥、"周波数共用型コグニティブ無線システムの機能検証と性能測定"信学技報、vol.109、no.422、SR2009-125、pp.45-52、2010年2月

本発明は、コグニティブ無線通信システムにおいて基地局及び端末で空き周波数の管理を行う際に複数のモードを実装すると共に、コグニティブ無線基地局が自律的に空き周波数をセンシングし、使用する周波数を決定する方法を提供することを目的とする。

本発明は従来の課題に鑑みて創出されたものであり、次のような周波数共用型コグニティブ無線通信システムを提供する。
すなわち、運用可能な周波数帯を選択して通信端末を動的に再構築することにより、異なるシステムで周波数を共用して通信を行う周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、コグニティブ無線基地局が、送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシング手段と、少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定手段と、決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築手段とを備える。

また、コグニティブ通信端末には、コグニティブ無線基地局で再構築された使用周波数帯をセンシングする基地局センシング手段と、使用周波数帯及び使用される通信方式で自己のコグニティブ通信端末を再構築する端末再構築手段とを備える。
以上の構成を用いて、コグニティブ無線基地局が自律的に空き周波数帯をセンシングし再構築する自律モードを有することを特徴とする。

上記の周波数共用型コグニティブ無線通信システムが、予め備えた周波数データベースを参照して空き周波数の管理を行うとともに、コグニティブ無線基地局又は、コグニティブ無線基地局にネットワークの再構築を指示するネットワーク再構築管理手段の少なくともいずれかに対して、使用する周波数帯を通知する空き周波数管理手段を備えることもできる。

本構成において、コグニティブ無線基地局の上記の基地局再構築手段が、指示された周波数帯で自己のコグニティブ無線基地局を再構築すると共に、コグニティブ通信端末が、コグニティブ無線基地局又はネットワーク再構築管理手段のいずれかから通知を受けるか、あるいは、上記の基地局センシング手段によってセンシングして、上記の端末再構築手段が、コグニティブ無線基地局の使用周波数帯に再構築する。
これにより、空き周波数管理手段の指示に基づいてコグニティブ無線基地局及びコグニティブ通信端末が協調して使用周波数帯を再構築する協調モードを有することもできる。

上記の周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、自律モードにおけるコグニティブ無線基地局の基地局センシング手段が、センシング対象の周波数帯で用いる帯域幅に渡る電波強度を測定すると共に、帯域幅の中心周波数をセンシング対象の周波数帯に定めたステップで順に変化させる構成でもよい。

さらに、上記基地局センシング手段が、センシングの際に各周波数において、予め定める測定間隔で予め定めた測定時間のサンプリングを行い、各測定時の電波強度を電波強度テーブルに格納すると共に、電波強度テーブルにおいて最も測定回数が多かった電波強度を、その周波数における電波強度として決定する構成でもよい。

本発明は次のようなコグニティブ無線通信方法を提供することもできる。
本方法において、
（Ｓ１） コグニティブ無線基地局のセンシング手段が、送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシングステップ、
（Ｓ２） コグニティブ無線基地局の再構築パラメータ決定手段が、少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定ステップ、
（Ｓ３） コグニティブ無線基地局の基地局再構築手段が、決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築ステップ、
（Ｓ４） コグニティブ通信端末の基地局センシング手段が、コグニティブ無線基地局で再構築された使用周波数帯をセンシングする基地局センシングステップ、
（Ｓ５） コグニティブ通信端末の端末再構築手段が、使用周波数帯及び使用される通信方式で自己のコグニティブ通信端末を再構築する端末再構築ステップ
からなる自律的に空き周波数帯をセンシングし再構築する自律モードを有する
ことを特徴とする。

上記の周波数共用型のコグニティブ無線通信方法において、自律モードと共に、コグニティブ無線基地局及びコグニティブ通信端末が協調して使用周波数帯を再構築する協調モードを有する構成でもよい。
この協調モードでは、
（Ｓ１−２） ネットワーク側に設けた空き周波数管理手段が、予め備えた周波数データベースを参照して空き周波数の管理を行うとともに、コグニティブ無線基地局又は、コグニティブ無線基地局にネットワークの再構築を指示するネットワーク再構築管理手段の少なくともいずれかに対して、使用する周波数帯を通知する使用周波数通知ステップ
を実行した後、指示された周波数に従って、（Ｓ３）基地局再構築ステップを行う一方、コグニティブ通信端末が、コグニティブ無線基地局又はネットワーク再構築管理手段のいずれかから通知を受けるか、（Ｓ４）基地局センシングステップによって使用する周波数帯を取得し、（Ｓ５）端末再構築ステップを行うことを特徴とする。

本発明ではコグニティブ無線基地局として提供してもよい。このコグニティブ無線基地局には、送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシング手段と、少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定手段と、決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築手段とを備えたことを特徴とする。

上記基地局センシング手段が、センシング対象の周波数帯で用いる帯域幅に渡る電波強度を測定すると共に、帯域幅の中心周波数をセンシング対象の周波数帯に定めたステップで順に変化させる構成でもよい。
さらに、センシングの際に各周波数において、予め定める測定間隔で予め定めた測定時間のサンプリングを行い、各測定時の電波強度を電波強度テーブルに格納すると共に、電波強度テーブルにおいて最も測定回数が多かった電波強度を、その周波数における電波強度として決定する構成でもよい。

本発明は、以上の構成を備えることにより、次の効果を奏する。
すなわち、コグニティブ無線通信システムにおいて基地局及び端末で空き周波数の管理を行う際にコグニティブ無線基地局が自律的に空き周波数をセンシングし、使用する周波数を決定する方法を提供する。
また、コグニティブ無線基地局とコグニティブ通信端末に、空き周波数の利用、管理に係る少なくとも２つのモード、すなわち自律モードと協調モードを備えて、モード間の切り換えが可能であり、各デバイスへの負荷を低減し、効率のよい空き周波数の利用を実現することができる。

本発明に係るコグニティブ無線基地局（ＣＢＳ）の全体構成図である。 本発明に係る通信端末（ＣＴ）の全体構成図である。 自律モードの動作フローチャートである。 本発明に係るセンシングの手順を示す。 電波強度のサンプリング方法の概要を示す。 空き周波数管理手段を備えたシステムアーキテクチャの説明図である。 基地局の再構築管理部（CBSRM）の動作フローチャートを示す。 通信端末の再構築管理部（TRM）の動作フローチャートを示す。

以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
コグニティブ通信ネットワークにおいては、パケットベースのネットワークである上位通信ネットワークと、その上位通信ネットワークが共通のプラットフォームを提供する複数の無線アクセスネットワークから通信ネットワークが構成される。そして、無線アクセスネットワークと接続するコグニティブ通信端末（以下、通信端末）が、上位通信ネットワーク（１０）に接続する。上位通信ネットワークは、例えばインターネットなどのＩＰネットワークを想定している。

コグニティブ通信ネットワークでは、無線ＬＡＮや、ＷｉＭＡＸ、携帯電話網の他、ＰＨＳやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、周波数や通信方式、料金体系、事業主等の異なる１以上の無線アクセスネットワークに通信端末が接続先や接続方式を切り替えながら通信を行う。その際、無線の利用状況を認識し、周波数の利用効率の向上を目指す技術である。

これを実現するために利用可能な周波数・無線システムを探し出して最適なシステムに切り替える技術（ヘテロジニアス型）と、利用されていない周波数帯・タイムスロット等を検出し、既存システムに干渉を与えない範囲でそれを使用する技術（周波数共用型）とが用いられる。本発明では後者の技術による周波数共用型コグニティブ通信システムを対象とするが、両者を組み合わせたシステムに適用してもよい。

ところで、無線通信の需要がますます高まる中、より高速かつ安定した通信が可能な無線通信システムが開発される一方で、それらのシステムを使用するための周波数は逼迫している。この状況に対処するためには、未割当ての周波数や、既存のシステムに割り当てられているが一時的に使用されていない周波数において通信を行うことが、周波数利用効率を向上させる上で有効である。
周波数共用型コグニティブ無線システムはこれを実現するためのシステムであり、端末と基地局が電波環境をセンシングし、蓄積された情報及び規制情報などに基づき運用する周波数を決定し、その周波数で通信ができるように機器を再構築する。

また、周波数共用型コグニティブ無線システムでは、優先度が異なる複数の無線システムを想定している。システムを運用する場合には、それより優先度が高いシステムが行う通信への影響が定められた条件を満たすようにしなければならない。
そこで、本発明は周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、優先度の高い通信システムに影響を及ぼすことがないよう、空き周波数を高精度かつ高効率に利用するための技術を提供する。

図１は本発明に係るコグニティブ無線基地局（以下、基地局）（ＣＢＳ）（１）の全体構成図、図２は本発明に係る通信端末（ＣＴ）（２）の全体構成図である。図示するように、基地局（１）と通信端末（２）とは、様々な周波数帯、通信方式の無線通信ネットワーク（３）を介して通信を行い、各無線通信ネットワーク（３）に対応するために自装置を動的に再構築することができる。
このような装置の再構築の技術については、コグニティブ通信技術として公知であるから、説明を省略する。

基地局（１）は公知のコグニティブ無線基地局に備えられる機構を有し、例えば通信モジュール（１０）や、ＣＰＵ（１１）等に設けられ、定められた通信方式で無線通信を行う無線通信部（１１０）、無線通信部（１１１）や通信モジュール（１０）の設定を再構築する基地局再構築処理部（１１４）などが設けられている。
本発明では、新たにセンシング処理部（１１２）と再構築パラメータ決定部（１１３）をＣＰＵ（１１）に備えると共に、記憶手段（１２）に各周波数帯で用いられる帯域幅やセンシング時のステップ（周波数間隔）の情報（１２０）を格納する。

通信端末（２）も公知のコグニティブ無線通信端末に備えられる機構を有し、例えば通信モジュール（２０）や、ＣＰＵ（２１）等に設けられる無線通信部（２１１）、端末再構築処理部（２１３）などがある。
本発明では、これに加えて、基地局が使用する周波数帯をセンシングするための基地局センシング処理部（２１２）をＣＰＵ（２１）に備える。

ここで、基地局（１）及び通信端末（２）において、無線通信部（１１１）（２１１）や通信モジュール（１０）（２０）をごく簡略化して示しているが、コグニティブ無線通信システムでは、広い周波数帯や通信方式に対応するため、複数の通信モジュールとそれに対応する無線通信部を備えておくことが一般的である。

また、無線通信部をＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array)によって構成して、ソフトウェア的に対応する無線通信システムを切り替えることも知られている。ＦＰＧＡは、ＣＰＵ上で動作するＯＳからレジスタ制御により制御され、複数のウェーブフォームから指定のものをＦＰＧＡに読み込み、無線通信のPHY/MACのデジタル信号処理を行う。ウェーブフォームは、IEEE802.11a、IEEE802.16e、デジタルテレビ、PHSのような単位で実装される。

本実施例の基地局（１）及び通信端末（２）では、自律モード、協調モード、手動モードの３つのモードを備える。
自律モードは、基地局（１）が自ら空き周波数を探して運用を行い、通信端末（２）は基地局（１）が運用する周波数をセンシングにより探し運用を行うモードである。
協調モードとは、周波数データベースに基づいて空き周波数の管理を行う空き周波数管理手段(WSM)から最適な周波数と無線アクセス方式の指示を受けて運用を行うモードである。
手動モードは、機器の管理者が無線環境によらず手動で周波数と無線アクセス方式を設定して運用を行うモードである。

本発明は、上記の自律モードに最大の特徴を有しており、まず自律モードの詳細について説明する。自律モードの動作フローチャートを図３に示す。自律モードでは、センシングステップ（Ｓ１０）、再構築パラメータの決定ステップ（Ｓ１１）、基地局の再構築ステップ（Ｓ１２）の各ステップの後、通信端末（２）との通信を開始（Ｓ１３）する。

まずセンシングステップ（Ｓ１１）では、センシング処理部（１１２）が、帯域幅・ステップ情報（１２０）を参照して、センシングする。具体的には、想定される帯域幅とステップで通信モジュール（１０）及び無線通信部（１１１）を設定し、送受信可能な周波数帯の電波強度を取得する。

空き周波数が存在すると決定するために、本発明では想定している通信方式の帯域幅に渡って電波強度が空き周波数検出閾値以下であることを確認する。図４にはセンシングの手順を示す。
この例では、想定する通信方式の帯域幅（３０）を20MHzに設定し、開始時の中心周波数（３０ａ）を2576MHzとする。これらの値は、表１に示すような帯域幅・ステップ情報（１２０）から決められる。

すなわち、まず優先度の高い方からセンシングを行うこととし、最上段の2.5GHz帯の最初の中心周波数2576MHzから始める。ステップは2MHzなので、次は2578MHz、2580MHzの順で切り替えて測定を行う。
ステップ(1)（３１）とステップ(2)（３２）では帯域の低周波数部分（３１０）（３２０）に電波干渉を検出するが、ステップ(3)（３３）では帯域全てに渡って空き周波数検出閾値以上の電波強度を検出していない。
この結果、中心周波数2580MHzに空き周波数帯が確認される。

ここで電波強度を求めるためには、該当する周波数において電波強度をサンプリングして測定し、その結果を統計処理する。図５に電波強度のサンプリング方法の概要を示す。図のようにサンプリングは、20μs間隔で１万回行い、合計200msの測定を行う。200msとしているのは、IEEE802.11a基地局の典型的なビーコン送出間隔が100msであるためである。
従って、サンプリング時間は想定するシステムの仕様に応じて決定する必要がある。

サンプリングされた電波強度の値は、一定幅を持つ電波強度テーブルでカウントされる。最終的にカウントが最も大きい値が、結果として採用される。表２は中心周波数2576MHzの時に測定した電波強度テーブルの一例である。

上記では、5dB間隔のテーブルにカウントを行い、カウントが3572回で最も大きい−75dBを2576MHz電波強度として採用する。
なお、このような電波強度は、公知の通信モジュールに含まれるＲＦボードや、上記のＦＰＧＡなどによって簡便に値を得ることができる。

本発明では、まず中心周波数と対応付けて測定する帯域幅とステップの情報を持っているため、必要な帯域全体に渡って電波干渉等の障害がないかどうかを検出することができる。そして、周波数帯によってステップを変えることでどのような帯域幅を用いる通信であっても見逃すことなく、また、不必要に精密な測定を行わないことで、高精度かつ高効率なセンシングを実現することができる。

さらに、あらかじめ優先度情報を備えておけば、優先的に使用したい周波数帯から順にセンシングをするので、高速に最優先の空き周波数を発見することができる。

次に、再構築パラメータの決定ステップ（Ｓ１１）では、再構築パラメータ決定部（１３）が、電波強度があらかじめ設定された空き周波数検出閾値以下の周波数を空き周波数とみなし、運用する周波数と通信方式を決定する。
上記のセンシングステップ（Ｓ１０）で優先度に関わらずにセンシングを行い、複数の空き周波数が見つかった場合には、優先度が高い周波数を選択してもよい。

本実施例では、閾値を−85dBmとしているので、これよりも小さな電波強度の空き周波数が見つかった時点で、その周波数を選択すると共に、その周波数に予め対応づけた通信方式を決定する。
なお、通信方式の決定には、公知のコグニティブ通信技術において通信方法を再構築する際の技術を適用することもできる。

基地局再構築ステップ（Ｓ１２）では、決定された周波数と通信方式を無線通信部（１１１）と通信モジュール（１０）に指示して再構築を行う。
通信端末との通信を開始（Ｓ１３）した後も、定期的に監視（Ｓ１４）され、検出された場合は、センシングステップ（Ｓ１０）から繰り返すことになる。

本発明に係る基地局（１）の構成は以上に説明した通りである。本自律モードの時、通信端末（２）は基地局（１）を自ら検出して周波数帯等を再構築する。
具体的には、基地局センシング処理部（２１２）が、周波数帯の優先度が高い順に受信電波強度を測定する。この測定方法は上記基地局の場合と同様にすることができる。
そして、受信強度が空き周波数検出閾値よりも大きい場合には、その周波数帯で運用される可能性がある通信方式を通信デバイスに設定して、通信システムを同定する。

通信端末（２）の場合には、受信強度が閾値以上であっても必ずしも基地局（１）との無線通信信号であるとは限らないので、実際に通信方式を通信デバイスに設定してみて、通信が行えるかどうかにより、通信方式の同定を行っている。同定に成功することで、基地局の存在が確認される。端末再構築処理部（２１３）がその周波数や通信方式に通信端末（２）を再構築し、基地局（１）との通信を開始又は続行する。

一方、基地局の存在が確認されない場合は、より優先度が低い周波数帯において基地局の通信システムの同定を順次行い、基地局が見つかるまで繰り返す。全ての周波数帯で基地局の存在が確認できない場合は、再度、優先度が高い周波数帯から電波強度の測定を繰り返す。
また、基地局から切断されるか、基地局の電波強度が閾値以下になった場合は、最初から手順を繰り返すことにより、新しい基地局に接続を行う。

本発明では、以上に述べた自律モードの他に、協調モードを備えることができる。以下、協調モードについて説明する。
非特許文献３〜５に記載されているように、IEEE 1900.4に基づいて、コグニティブ無線システムアーキテクチャが提案されている。本実施例では、このようなアーキテクチャを前提として、図６に示すように空き周波数管理手段（ＷＳＭ）をパケットベースのネットワーク上に備えた構成を用いる。

コグニティブ無線基地局（ＣＢＳ）（１）は、基地局（１）を管理し外部機器と通信するCBSRM(CBS Reconfiguration Manager)（５１）と、基地局（１）の測定情報を取得するCBSMC(CBS Measurement Collector)（５２）、基地局（１）の再構築を制御するCBSRC(CBS Reconfiguration Controller)（５３）から構成される。
通信端末（ＣＴ）（２）は、端末を管理し外部機器と通信するTRM(Terminal Reconfiguration Manager)（５４）、端末の測定情報を取得するTMC(Terminal Measurement Collector)（５３）、端末の再構築を制御するTRC(Terminal Reconfiguration Controller)（５５）から構成される。

空き周波数管理手段（ＷＳＭ）（４）は、公知のサーバ装置等に設置され、空き周波数のデータベースを持って基地局（１）の管理を行う。
図７には基地局（１）の再構築管理部（CBSRM）の動作フローチャートを示す。また、図８には通信端末（２）の再構築管理部（TRM）の動作フローチャートを示す。

基地局（１）が協調モード（Ｓ２０）の場合、空き周波数管理手段（４）から運用ポリシーを受信できない時には、強制的に自律モード（Ｓ２１）に移行して運用を継続する。
基地局（１）が空き周波数管理手段（４）から運用ポリシーを受信している場合には協調モード（Ｓ２０）として動作する。基地局（１）の基地局再構築処理部（１１４）は受信した運用ポリシーに従って周波数や通信方式を再構築（Ｓ１２）する。

一方、自律モードの場合は、上記の通り基地局（１）が空き周波数帯をセンシング（Ｓ１０）し、周波数と通信方式を決定（Ｓ１１）し、基地局（１）を再構築（Ｓ１２）する。

協調モードにおいて、基地局（１）が再構築（Ｓ１２）して通信を開始すると同時に、アウトバンド通信デバイスから無線設定を定期的にブロードキャスト（Ｓ２２）することもできる。
本実施例では、ネットワークの運用情報を送信可能な専用無線システムによるアウトバンドパイロットチャネル(Out-band Pilot Channel,OPC)（非特許文献６）を用いる。運用周波数が既知で固定されたOPCにより基地局の無線設定を通知すれば、基地局が任意の周波数で運用される可能性がある場合においても、端末は基地局と通信するための再構築を即座に開始できる。

図８に示すように、通信端末（２）ではまず協調モードか自律モードのいずれのモードに設定されているか（Ｓ３０）により、協調モードの場合には、このOPCによる通知を受けるために例えば端末再構築処理部（２１３）がアウトバンドパイロットチャネルに設定（Ｓ３１）して基地局から無線設定の受信を行う（Ｓ３２）。
ここでOPCからの受信ができた場合には、端末再構築処理部（２１３）が通信端末（２）を再構築（Ｓ３４）してデータ通信を開始（Ｓ３５）する。

一方、OPCからの受信ができない場合には、自律モードの場合と同様の処理に進み、上述の通り、受信強度が大きい周波数帯を検知（Ｓ３７）、通信方式の同定（Ｓ３８）、同定した通信方式で通信端末を再構築（Ｓ３９）と進む。
データ通信を開始（Ｓ３５）した後、基地局から通信を切断されたり、基地局の電波強度が閾値以下となった場合（Ｓ３６）には、再び最初の処理に戻る。

本発明の実施においては、OPCを用いず、空き周波数管理手段（４）がコグニティブ通信システムにおいて公知のネットワーク再構築手段（ＮＲＭ）に通知し、ＮＲＭから基地局（１）や通信端末（２）に再構築に必要な情報を通知する構成でもよい。

以上に述べた協調モードによれば、空き周波数管理手段が空き周波数のデータベースを参照して基地局（１）と通信端末（２）に指示を行うので、センシングに時間を要することなく、高速に空き周波数の利用を行うことができる。
一方、協調モードには基地局（１）と通信端末（２）の間でOPCなどの安定した通信手段が必要であり、本発明のコグニティブ無線通信システムのようにあらゆる場所に対応したシステムでは常時実施できるとは限らない。また、空き周波数のデータベースに全ての最新の周波数使用状況を記録することは困難であり、電波干渉を完全に防ぐことは難しい。

本発明によれば、図７に示されるように、協調モードによって設定できる場合にも、電波干渉を検出した場合には自律モードに移行することが可能である。また、センシングに十分な時間がある場合や空き周波数管理手段が利用できない場合には、自律モードを選択する一方、移動時にバッテリを節約したり、センシング時間をかけたくない場合、空き周波数管理手段が簡便に利用できる場合などには、協調モードを用いるように、適宜選択することが可能となる。

１ コグニティブ無線基地局
２ 通信端末
３ 無線通信ネットワーク
１０ 通信モジュール
１１ ＣＰＵ
１１１ 無線通信部
１１２ センシング処理部
１１３ 再構築パラメータ決定部
１１４ 基地局再構築処理部
１２ 記憶手段
１２０ 帯域幅・ステップ情報

Claims (9)

1. 運用可能な周波数帯を選択して通信端末を動的に再構築することにより、異なるシステムで周波数を共用して通信を行う周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、
   コグニティブ無線基地局が、
   送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシング手段と、
   少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、該周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定手段と、
   決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築手段と
   を備えると共に、
   コグニティブ通信端末が、
   該コグニティブ無線基地局で再構築された使用周波数帯をセンシングする基地局センシング手段と、
   該使用周波数帯及び使用される通信方式で自己のコグニティブ通信端末を再構築する端末再構築手段と
   を備え、
   自律的に空き周波数帯をセンシングし再構築する自律モードを有する
   ことを特徴とする周波数共用型コグニティブ無線通信システム。
2. 前記周波数共用型コグニティブ無線通信システムが、
   予め備えた周波数データベースを参照して空き周波数の管理を行うとともに、コグニティブ無線基地局又は、コグニティブ無線基地局にネットワークの再構築を指示するネットワーク再構築管理手段の少なくともいずれかに対して、使用する周波数帯を通知する空き周波数管理手段を備え、
   コグニティブ無線基地局の前記基地局再構築手段が、指示された周波数帯で自己のコグニティブ無線基地局を再構築すると共に、
   コグニティブ通信端末が、
   該コグニティブ無線基地局又は該ネットワーク再構築管理手段のいずれかから通知を受けるか、あるいは、前記基地局センシング手段によってセンシングして、前記端末再構築手段が、該コグニティブ無線基地局の使用周波数帯に再構築し、
   空き周波数管理手段の指示に基づいてコグニティブ無線基地局及びコグニティブ通信端末が協調して使用周波数帯を再構築する協調モードを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の周波数共用型コグニティブ無線通信システム。
3. 前記周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、
   自律モードにおけるコグニティブ無線基地局の基地局センシング手段が、
   センシング対象の周波数帯で用いる帯域幅に渡る電波強度を測定すると共に、
   該帯域幅の中心周波数をセンシング対象の周波数帯に定めたステップで順に変化させる
   請求項１又は２に記載の周波数共用型コグニティブ無線通信システム。
4. 前記周波数共用型コグニティブ無線通信システムにおいて、
   自律モードにおけるコグニティブ無線基地局の基地局センシング手段が、
   センシングの際に各周波数において、予め定める測定間隔で予め定めた測定時間のサンプリングを行い、各測定時の電波強度を電波強度テーブルに格納すると共に、
   該電波強度テーブルにおいて最も測定回数が多かった電波強度を、当該周波数における電波強度として決定する
   請求項３に記載の周波数共用型コグニティブ無線通信システム。
5. 運用可能な周波数帯を選択して通信端末を動的に再構築することにより、異なるシステムで周波数を共用して通信を行う周波数共用型のコグニティブ無線通信方法であって、
   コグニティブ無線基地局のセンシング手段が、送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシングステップ、
   コグニティブ無線基地局の再構築パラメータ決定手段が、少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、該周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定ステップ、
   コグニティブ無線基地局の基地局再構築手段が、決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築ステップ、
   コグニティブ通信端末の基地局センシング手段が、該コグニティブ無線基地局で再構築された使用周波数帯をセンシングする基地局センシングステップ、
   コグニティブ通信端末の端末再構築手段が、該使用周波数帯及び使用される通信方式で自己のコグニティブ通信端末を再構築する端末再構築ステップ
   からなる自律的に空き周波数帯をセンシングし再構築する自律モードを有する
   ことを特徴とする周波数共用型のコグニティブ無線通信方法。
6. 前記周波数共用型のコグニティブ無線通信方法において、
   前記自律モードと共に、コグニティブ無線基地局及びコグニティブ通信端末が協調して使用周波数帯を再構築する協調モードを有する構成であって、
   該協調モードでは、
   ネットワーク側に設けた空き周波数管理手段が、予め備えた周波数データベースを参照して空き周波数の管理を行うとともに、コグニティブ無線基地局又は、コグニティブ無線基地局にネットワークの再構築を指示するネットワーク再構築管理手段の少なくともいずれかに対して、使用する周波数帯を通知する使用周波数通知ステップ
   を実行した後、
   指示された周波数に従って、前記基地局再構築ステップを行う一方、
   コグニティブ通信端末が、コグニティブ無線基地局又はネットワーク再構築管理手段のいずれかから通知を受けるか、前記基地局センシングステップによって使用する周波数帯を取得し、前記端末再構築ステップを行う、
   ことを特徴とする請求項５に記載の周波数共用型のコグニティブ無線通信方法。
7. 運用可能な周波数帯を選択して通信端末を動的に再構築することにより、異なるシステムで周波数を共用して通信を行う周波数共用型コグニティブ無線通信システムのコグニティブ無線基地局であって、
   送受信可能な周波数帯において、予め定めた各周波数帯で用いる帯域幅と、センシングのステップとに従って空き周波数をセンシングするセンシング手段と、
   少なくとも空き周波数のセンシング結果から使用する周波数帯を決定すると共に、該周波数帯における通信方式を決定する再構築パラメータ決定手段と、
   決定された周波数帯及び通信方式で、自己のコグニティブ無線基地局を再構築する基地局再構築手段と
   を備えたことを特徴とするコグニティブ無線基地局。
8. 前記コグニティブ無線基地局の基地局センシング手段が、
   センシング対象の周波数帯で用いる帯域幅に渡る電波強度を測定すると共に、
   該帯域幅の中心周波数をセンシング対象の周波数帯に定めたステップで順に変化させる
   請求項７に記載のコグニティブ無線基地局。
9. 前記コグニティブ無線基地局の基地局センシング手段が、
   センシングの際に各周波数において、予め定める測定間隔で予め定めた測定時間のサンプリングを行い、各測定時の電波強度を電波強度テーブルに格納すると共に、
   該電波強度テーブルにおいて最も測定回数が多かった電波強度を、当該周波数における電波強度として決定する
   請求項８に記載のコグニティブ無線基地局。

Images