JP2013005339A - Device and method for switching between heterogeneous systems - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique capable of relaying inter-system communication by making coexistent two cognitive radio systems having greatly different transmission power by the common use of frequency.SOLUTION: A relay device between heterogeneous systems, for connecting a first and a second system of cognitive radio of mutually different systems, includes: switching equipment 102, functioning at least as a client in the first system, for radio communication with a base station in the first system; and an AP unit 103, functioning as an access point (AP) in the second system, for radio communication with a subscriber station in the second system. The switching equipment 102 supplies to the AP unit 103 information related to a frequency or a time range, acquired to be usable in the first system, with a format understandable by the AP unit 103. The AP unit 103 performs radio communication with a mobile station 3 only within the supplied frequency or the time range. The switching equipment 102 relays communication between the AP 103 and the subscriber station to the base station.

Description

本発明は、既存業務(primary system)への影響を十分回避しつつ、柔軟に電波を利用していく、ホワイトスペース利用無線通信システムにおいて、利用可能な周波数チャネルが唯一である場合においても、複数の異なるホワイトスペース利用無線システムで同一周波数の利用を可能とする技術に関する。   In the white space wireless communication system that uses radio waves flexibly while sufficiently avoiding the influence on the existing system (primary system), the present invention provides a plurality of available frequency channels. It is related with the technology which enables utilization of the same frequency with the radio system using different white space.

近年の情報化社会の進展は実に目覚しいものがあり、多くの情報通信機器、サービスには、無線通信が利用されている。それに伴い、有限な資源である無線周波数の需要も増加の一途をたどっており、割当て可能な周波数の枯渇が世界各国で大きな問題となってきている。一般に、周波数は国などによってライセンス管理され、ライセンスを割当てられた者だけが、特定の場所、時間において、厳格な管理の下、その周波数を利用することができるが、今後も増え続ける周波数需要に対応するためには、これまでの周波数利用方法にとらわれない、新しい周波数の利用方法が求められている。   The progress of the information society in recent years is quite remarkable, and wireless communication is used for many information communication devices and services. Along with this, the demand for radio frequency, which is a finite resource, is constantly increasing, and the depletion of allocatable frequencies has become a major problem in countries around the world. Generally, licenses are managed by licenses depending on the country, etc., and only those who are assigned licenses can use the frequencies under strict management at specific locations and times. In order to respond, there is a need for a new frequency utilization method that is not confined to conventional frequency utilization methods.

周波数の枯渇問題を解決する新たな周波数の利用方法として、近年、既に割当て済みの周波数であっても空間的、時間的に利用可能な周波数帯(ホワイトスペース)について、既存業務への影響を十分回避しつつ、柔軟に電波を利用する、コグニティブ無線などのホワイトスペース利用無線システムの研究開発が行われている。   As a new frequency usage method to solve the frequency depletion problem, the frequency band (white space) that can be used spatially and temporally even if it has already been allocated has been sufficiently affected in the past. Research and development of wireless systems using white space, such as cognitive radio, that avoids the problem and uses radio waves flexibly.

例えば、ホワイトスペースを利用する無線システムとして、IEEE802.22やIEEE802.11afにおける標準規格化が進んでいる。これらの標準規格では既存業務(例えばテレビ放送など)への影響を回避するために、
1)各無線局がIPネットワーク上のホワイトスペースを管理するデータベース(Incumbent DB)やネットワークマネージャにアクセスし自身の位置情報に基づく利用可能周波数リストと最大送信可能電力を取得することと、
2)スペクトルセンシング機能(信号検知機能)によって、利用しようとする周波数を用いる既存局が周囲に存在しないことを確認した上で通信を行うこと、
を規定している。これらを効率的に行うため、帯域幅及びチャンネル配置をテレビ放送と同じにすることが考えられている。
For example, standardization in IEEE802.22 and IEEE802.11af is progressing as a wireless system using white space. In order to avoid impact on existing business (such as TV broadcasting) in these standards,
1) Each wireless station accesses a database (Incumbent DB) that manages white space on the IP network and a network manager to obtain an available frequency list and maximum transmittable power based on its own location information,
2) Use the spectrum sensing function (signal detection function) to confirm that there are no existing stations that use the frequency to be used, and perform communication.
Is stipulated. In order to perform these efficiently, it is considered that the bandwidth and the channel arrangement are the same as those of the television broadcast.

ところで、各標準規格は、それぞれ目的とするサービスが異なり、IEEE802.22では遠距離の無線伝送により広域をカバーするWRAN(Wireless Regional Area Network)を構築することを目的とし、IEEE802.11afでは中近距離の無線伝送により中域をカバーするWMAN(Wireless Metropolitan Area Network)や小域をカバーするWLAN(Wireless Local Area Network)を構築することを目的としている。近年の情報通信形態の多様化を考えれば、このような目的の異なる標準規格に準拠する無線システム間が共存するための協調動作や、標準規格間の連携による拡張性と柔軟性のあるシステム構成を可能とすることが求められていることは明らかである。   By the way, each standard has a different target service. IEEE802.22 aims to construct a WRAN (Wireless Regional Area Network) that covers a wide area by long-distance wireless transmission. The goal is to build a wireless metropolitan area network (WMAN) that covers the mid-range by wireless transmission over a distance and a wireless local area network (WLAN) that covers a small area. Considering the diversification of information communication forms in recent years, a system configuration that is scalable and flexible due to the cooperative operation for coexistence between wireless systems conforming to different standards for such purposes, and cooperation between standards It is clear that there is a need to make this possible.

例えば、システム間の協調動作が求められる例として、ホワイトスペースとして利用可能な周波数が唯一である場合において、IEEE802.22 WRANから、IEEE802.11af WLAN/WMANが干渉を受けているような場合がある。この様な場合、システムによる通信可能距離の違いにより、それを通知する手段が無いため共存することは容易ではないが、この様な状況においても協調動作が必要不可欠である。   For example, there is a case where IEEE802.11af WLAN / WMAN is receiving interference from IEEE802.22 WRAN when there is only one frequency that can be used as a white space as an example in which cooperative operation between systems is required. . In such a case, it is not easy to coexist because there is no means for notifying due to the difference in communicable distance between systems, but even in such a situation, cooperative operation is indispensable.

また、システム間の連携動作が求められる例としては、郊外や僻地などの各家庭にブロードバンド回線を提供する際に、FTTH(Fiber To The Home)などの有線ネットワークを敷設するのではなく、無線ネットワークによって提供する方法が考えられる。この様な場合、バックホール回線としての遠距離伝送設備と各家庭などが利用する中近距離伝送設備が連携し、異なる無線システムとの相互接続やマルチホップ伝送による方法が解決策として考えられる。   In addition, an example in which cooperative operation between systems is required is to provide a wireless network instead of laying a wired network such as FTTH (Fiber To The Home) when providing broadband lines to homes in suburbs and remote areas. The method provided by can be considered. In such a case, a long-distance transmission facility as a backhaul line and a medium / short-distance transmission facility used by each home or the like cooperate, and a method based on interconnection with different wireless systems or multi-hop transmission is considered as a solution.

非特許文献1には、IEEE802.22の基地局(BS;Base Station)に具備されているSelf-Coexistence機能とよばれる自律分散的な手段によって、IEEE802.22 WRAN同士が共存する方法が記載されている。
図1は、非特許文献1におけるSelf-Coexistenceの流れを示すフローチャートである。
Non-Patent Document 1 describes a method in which IEEE802.22 WRANs coexist by autonomous distributed means called Self-Coexistence function provided in a base station (BS) of IEEE802.22. ing.
FIG. 1 is a flowchart showing the flow of Self-Coexistence in Non-Patent Document 1.

各BSはまず初めに、ステップ101(S101)として、近隣で既存局が使用している周波数と、近隣のセルで使われている周波数の確認を行い、自身が利用可能な周波数(空き周波数)があるかどうかの判定を行う。
ステップ102(S102)として、単独で利用可能な周波数がある場合には、その周波数を選択し、通信を行う。空き周波数が無い場合には、任意の周波数を1つ選択して他のIEEE802.22 WRANとの共存を行う。
ステップ103(S103)として、S101で空き周波数が無いと判定された場合、該周波数を用いた場合の干渉が隣接するセルのBSからのみであるかどうかの判断を行う。
Each BS first checks the frequency used by the existing station in the neighborhood and the frequency used in the neighboring cell in Step 101 (S101), and the frequency that can be used by itself (free frequency). Judge whether there is any.
If there is a frequency that can be used independently as step 102 (S102), the frequency is selected and communication is performed. If there is no free frequency, one arbitrary frequency is selected to coexist with other IEEE802.22 WRAN.
In step 103 (S103), when it is determined in S101 that there is no free frequency, it is determined whether or not the interference when the frequency is used is only from the BS of the adjacent cell.

ステップ104(S104)として、S103で干渉がBSからのみであると判定された場合、セル間でダウンリンクとアップリンクのタイミングを同期させることで、一方のBSが受信中に他方のBSが送信することを回避し、干渉を回避する。
ステップ105(S105)として、S103で干渉がBSからのみでない、つまり隣接するセルに属する顧客施設装置(CPE:Customer Premises Equipment)からの干渉がある場合には、隣接するセルのBSにフレームの開放要求を行い、フレームコンテンションと呼ばれるランダムアルゴリズムによって、フレームの開放または非開放の処理を行う。
ステップ106(S106)として、S105のフレームコンテンションによって利用可能なフレームを獲得した場合には、セル間で共通の周波数を時分割して通信する。
BSはS102又はS104又はS106に対応する方式でCPEとの通信を行うが、その間もステップ107(S107)として、他セルからのフレーム要求や、自身のトラヒック量の増加があるごとに、これらの処理が再実行される。
In step 104 (S104), when it is determined in S103 that the interference is only from the BS, the other BS transmits while the other BS is receiving by synchronizing the downlink and uplink timing between cells. To avoid interference.
In step 105 (S105), when the interference is not only from the BS in S103, that is, when there is interference from a customer facility equipment (CPE: Customer Premises Equipment) belonging to an adjacent cell, the frame is released to the BS of the adjacent cell. A request is made and a frame is released or not released by a random algorithm called frame contention.
In step 106 (S106), when an available frame is acquired by the frame contention of S105, communication is performed by time-sharing a common frequency between cells.
The BS communicates with the CPE in a manner corresponding to S102, S104, or S106. During this time, as step 107 (S107), every time there is a frame request from another cell or an increase in its traffic volume, Processing is re-executed.

特表2010-522448号公報Special Table 2010-522448

IEEEE 802.22/P802.22/D3.0, March 2011, Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Policies and procedure for operation in the TV Bands.IEEEE 802.22 / P802.22 / D3.0, March 2011, Draft Standard for Wireless Regional Area Networks Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: Policies and procedure for operation in the TV Bands .

この様にしてIEEE802.22 WRAN同士であれば異なるシステムが共存することが可能であるが、異なる標準規格に準拠するホワイトスペース利用無線システム同士の協調動作や、連係動作による標準規格の異なるシステムをまたいだマルチホップ伝送について、その検討はほとんど行われていない。   In this way, different IEEE802.22 WRAN systems can coexist with different systems. However, cooperative operation between white space-based wireless systems compliant with different standards, and systems with different standards due to linkage operations. In addition, little consideration has been given to multihop transmission.

したがって、異なる標準規格の無線システム同士では、各無線システムが自身の無線システムを最適化するためにのみ動作し、他のシステムとの協調動作は考えない。この問題に対する解決策として、あらかじめ、何らかの連携や共存のためのプロトコルを導入することが考えられるが、関係する複数の標準規格の大きな変更を必要とするばかりか、共存方式が変更されるたびに、標準規格の変更をしなくてはならないため、必ずしも現実的な解決策となるとは言えない。   Therefore, between wireless systems of different standards, each wireless system operates only for optimizing its own wireless system, and does not consider cooperative operation with other systems. As a solution to this problem, it is conceivable to introduce a protocol for cooperation or coexistence in advance, but not only does it require major changes to the related standards, but every time the coexistence method is changed. Because the standard must be changed, it is not always a realistic solution.

そこで本発明は、IEEE802.11af WLAN/WMANがIEEE802.22 WRANをバックホール回線として使用しインターネットにアクセスするようなシステム間をまたいだマルチホップ伝送や、システム間の協調動作を実現するための、簡易なシステム間の交換機を提供することにより、互いの標準規格を変更することなく、ホワイトスペース利用システム間の簡易な相互接続や、システムの簡易な拡張を可能とする技術を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a multi-hop transmission across systems such as IEEE802.11af WLAN / WMAN using the IEEE802.22 WRAN as a backhaul line to access the Internet, and a cooperative operation between systems. By providing a simple exchange between systems, the purpose is to provide a technology that enables simple interconnection between systems using white space and simple expansion of the system without changing each other's standards. And

本発明に係る異種システム間中継装置は、共通の周波数帯を使用し方式が互いに異なる第一及び第二のコグニティブ無線システムを接続する際において、
該第一のコグニティブ無線システムにおいて少なくともクライアントとして動作し、該第一のコグニティブ無線システムの基地局と無線通信する交換機ユニットと、
該第二のコグニティブ無線システムにおいてアクセスポイントとして動作し、該第二のコグニティブ無線システムの加入者局と無線通信するアクセスポイントユニットと、を備え、
該交換機ユニットは、該第一のコグニティブ無線システムにおいて利用可能であるとして獲得した周波数又は時間の範囲に関する情報を、該アクセスポイントユニットに与え、該アクセスポイントユニットは該与えられた周波数又は時間の範囲内でのみ、該加入者局と無線通信を行うことを特徴とする。
The relay device between different systems according to the present invention uses a common frequency band and connects the first and second cognitive radio systems having different schemes.
An exchange unit that operates as at least a client in the first cognitive radio system and wirelessly communicates with a base station of the first cognitive radio system;
An access point unit that operates as an access point in the second cognitive radio system and wirelessly communicates with a subscriber station of the second cognitive radio system,
The switch unit provides the access point unit with information regarding the frequency or time range acquired as available in the first cognitive radio system, the access point unit providing the given frequency or time range. Wireless communication with the subscriber station.

本発明の異種システム間中継装置は更に、
前記第一のコグニティブ無線システムは、前記第二のコグニティブ無線システムよりも長い通信距離を有するものであり、
前記交換機ユニットは、既存局に関するデータベースへのアクセスと、スペクトルセンシングとに基づいて、空き周波数を調べ、空き周波数があれば該空き周波数に関する情報を前記アクセスポイントユニットに与え、空き周波数がなければ前記基地局に対し所定の時間の範囲での開放を要求し、前記基地局が使用する周波数及び前記基地局から通知された利用可能な時間に関する情報を、前記アクセスポイントユニットに与えることを特徴とする。
The relay device between different systems of the present invention further includes
The first cognitive radio system has a longer communication distance than the second cognitive radio system;
The exchange unit checks an available frequency based on access to a database related to an existing station and spectrum sensing, and if there is an available frequency, gives information on the available frequency to the access point unit, and if there is no available frequency, the exchange unit The base station is requested to be released within a predetermined time range, and information on the frequency used by the base station and the available time notified from the base station is given to the access point unit. .

本発明の異種システム間中継装置は更に、
前記交換機ユニットは、前記第一のコグニティブ無線システムが規定するシステム内共存機能を利用して、第一のコグニティブ無線システムで用いるものとして前記所定の時間の範囲での開放を要求し、前記所定の時間の範囲は、前記基地局が送信するスーパーフレームを構成する複数のフレームの中から所定のフレームを割り当てられることによって定まることを特徴とする。
The relay device between different systems of the present invention further includes
The exchange unit uses the in-system coexistence function defined by the first cognitive radio system to request an opening within the predetermined time range for use in the first cognitive radio system, and The time range is determined by assigning a predetermined frame from a plurality of frames constituting a super frame transmitted by the base station.

また、本発明に係る異種システム間中継方法は、共通の周波数帯を使用し方式が互いに異なる第一及び第二のコグニティブ無線システムを接続する際において、
交換機ユニットが、該第一のコグニティブ無線システムのクライアントとしてネットワークにエントリするステップと、
交換機ユニット或いはアクセスポイントユニットが、外部に設けられた周波数利用状況を管理するデータベースにアクセスし、利用可能な周波数の情報を取得するステップと、
交換機ユニット及びアクセスポイントユニットが、無線信号を受信し、第一及び第二のコグニティブ無線システムにおける夫々の方法で、利用可能な周波数を検出するステップと、
第一及び第二のコグニティブ無線システムで利用可能な第一の周波数が検出されたときに、アクセスポイントユニットが該第一の周波数を使って加入者局との通信を開始するステップと、
該利用可能な第一の周波数が検出されなかったときに、交換機ユニットが属する第一のコグニティブ無線システムの基地局と通信してフレームコンテンションを行うステップと、
交換機ユニットが、該フレームコンテンションの結果であるフレームの開放の通知を受信し、アクセスポイントユニットが利用可能な時間としてアクセスポイントユニットに通知するステップと、
アクセスポイントユニットが、該利用可能な時間内で、加入者局と通信するステップと、
交換機ユニットとアクセスポイントユニットの間で、ユーザデータを中継するステップと、を備えた。
Further, the inter-system relay method according to the present invention uses a common frequency band and connects the first and second cognitive radio systems having different schemes.
An exchange unit entering the network as a client of the first cognitive radio system;
An exchange unit or an access point unit accesses a database for managing a frequency usage state provided outside, and obtains information on available frequencies; and
An exchange unit and an access point unit receiving radio signals and detecting available frequencies in respective ways in the first and second cognitive radio systems;
Initiating communication with a subscriber station using the first frequency when a first frequency available in the first and second cognitive radio systems is detected;
Communicating with the base station of the first cognitive radio system to which the switch unit belongs when the available first frequency is not detected and performing frame contention;
The exchange unit receives a notification of the release of the frame as a result of the frame contention and notifies the access point unit as an available time for the access point unit;
The access point unit communicating with the subscriber station within the available time;
Relaying user data between the exchange unit and the access point unit.

本発明によれば、複数の標準規格の独立した発展を妨げることなく、異なる規格のシステム間の相互接続と共存が可能となる。   The present invention enables interconnection and coexistence between systems of different standards without hindering the independent development of multiple standards.

Self-Coexistenceの動作フローチャート(従来技術)Self-Coexistence operation flowchart (prior art) 無線通信システムの構成図(実施形態)Configuration of wireless communication system (embodiment) 中継局2の構成図Configuration diagram of relay station 2 交換機102の構成図Configuration diagram of switch 102 IEEE802.11afアクセスポイントの構成図IEEE802.11af access point configuration diagram IEEE802.22のフレームの構成図IEEE802.22 frame configuration diagram Self-Coexistenceの動作フローチャート(実施形態)Self-Coexistence operation flowchart (embodiment) フレームコンテンション以降のBS1、RS2、MS3の間の通信を示すタイムシーケンスTime sequence indicating communication between BS1, RS2, and MS3 after frame contention

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図2は、無線通信システム全体の構成例を示している。本実施例では、ホワイトスペース利用システムは、BS1と、中継局(RS:Relay Station)2と、移動局(MS:Mobile Station)3からなる。
BS1は、IEEE802.22に準拠した基地局である。
RS2は、BS1とはIEEE802.22で通信し、MS3とはIEEE802.11afで通信しながら、BS1とMS3との間で行われる通信を中継するものであり、BS1の通信可能エリア(cell)の中に設置され、その場所でIEEE802.11afのアクセスポイント(AP)となって比較的小さな通信可能エリアを形成する。一般に、アクセスポイントは基地局、親局などと呼ばれることがあり、移動局はクライアント、加入者(局)、子局、端末あるいはユーザーなどと呼ばれることがある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 shows a configuration example of the entire wireless communication system. In the present embodiment, the white space utilization system includes a BS 1, a relay station (RS: Relay Station) 2, and a mobile station (MS: Mobile Station) 3.
BS1 is a base station compliant with IEEE802.22.
RS2 communicates with BS1 through IEEE802.22, and communicates with MS3 through IEEE802.11af, while relaying communications performed between BS1 and MS3, and in the communicable area (cell) of BS1. It is installed inside and becomes a IEEE802.11af access point (AP) at that location, forming a relatively small communicable area. In general, an access point may be referred to as a base station, a master station, or the like, and a mobile station may be referred to as a client, a subscriber (station), a slave station, a terminal, or a user.

図3は、RS2の構成図である。RS2は、アンテナ101と、交換機102と、AP部103と、端子104、105、106及び107とを有する。交換機102は、BS1とIEEE802.22による無線通信を行う部分であり、AP部103は、MS3とIEEE802.11afによる無線通信を行う部分であり、アンテナ101は共有にしている。   FIG. 3 is a configuration diagram of RS2. RS2 includes an antenna 101, an exchange 102, an AP unit 103, and terminals 104, 105, 106, and 107. The exchange 102 is a part that performs wireless communication with BS1 and IEEE802.22, the AP unit 103 is a part that performs wireless communication with MS3 and IEEE802.11af, and the antenna 101 is shared.

図4は、交換機102の構成図である。交換機102は、アンテナと接続する端子104と、ベースバンド(BB)から無線周波数(RF)帯への周波数変換や無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や信号増幅などを行うRF部201と、誤り訂正符号化/復号処理や変復調処理を行うBB信号処理部202と、使用する周波数チャネルや送受信のタイミング制御やパケットに無線機を識別するためのIDの付加や送信元無線機の認識などを行うMAC(Medium Access Control;メディアアクセス制御)処理部203と、無線機全体の制御を行う主制御部204と、BS1との共存のためのプロトコル処理などを行うSelf-Coexistence機能制御部205と、AP部103とのインターフェースとなるインターフェース部206と、インターフェース部206の接続端子105を有する。   FIG. 4 is a configuration diagram of the exchange 102. The switch 102 includes a terminal 104 connected to an antenna, an RF unit 201 that performs frequency conversion from a baseband (BB) to a radio frequency (RF) band, frequency conversion from a radio frequency band to a baseband, signal amplification, and the like. BB signal processing unit 202 that performs error correction coding / decoding processing and modulation / demodulation processing, frequency channel to be used, transmission / reception timing control, addition of ID for identifying radio to packet, recognition of transmission source radio, etc. A MAC (Medium Access Control) processing unit 203 that performs, a main control unit 204 that controls the entire radio, a self-coexistence function control unit 205 that performs protocol processing for coexistence with BS1, An interface unit 206 serving as an interface with the AP unit 103 and a connection terminal 105 of the interface unit 206 are provided.

主制御部204は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することが可能であり、BB信号処理部202とMAC処理部203とSelf-Coexistence機能制御部205は、主制御部204が実行するプログラムに置き換えることも可能である。
交換機102は、これらの構成により、CPEとして機能するとともに、フレームコンテンション(後述)に参加するために必要な機能など、通常はBSのみが有する機能を発揮する。
The main control unit 204 can be configured by, for example, a processor, a data storage area defined on the memory, and software. The BB signal processing unit 202, the MAC processing unit 203, and the self-coexistence function control unit 205 It can be replaced with a program executed by the main control unit 204.
With these configurations, the exchange 102 functions as a CPE, and also exhibits functions normally possessed only by the BS, such as functions necessary for participating in frame contention (described later).

図5は、AP部103の構成図である。AP部103は、アンテナと接続する端子106と、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換や無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や信号増幅などを行うRF部301と、誤り訂正符号化/復号処理や変復調処理を行うBB信号処理部302と、使用する周波数チャネルや送受信のタイミング制御やパケットに無線機を識別するためのIDの付加や送信元無線機の認識などを行うMAC処理部303と、無線機全体の制御を行う主制御部304と、データベースや交換機のSelf-Coexistence機能によって得られたIEEE802.11afが利用可能な周波数に関する情報を記憶する利用可能周波数記憶部305と、交換機102とのインターフェースとなるインターフェース部306と、その接続端子107からなる。   FIG. 5 is a configuration diagram of the AP unit 103. The AP unit 103 includes a terminal 106 connected to an antenna, an RF unit 301 that performs frequency conversion from a baseband to a radio frequency band, frequency conversion from a radio frequency band to a baseband, signal amplification, and the like, error correction coding / A BB signal processing unit 302 that performs decoding processing and modulation / demodulation processing, and a MAC processing unit 303 that performs frequency control to be used, timing control of transmission / reception, addition of an ID for identifying a radio to a packet, recognition of a transmission source radio, and the like A main control unit 304 that controls the entire radio, an available frequency storage unit 305 that stores information on frequencies that can be used by IEEE802.11af obtained by the database and the Self-Coexistence function of the exchange, and the exchange 102 And an interface unit 306 serving as an interface with the connection terminal 107.

AP部103は基本的には、IEEE802.11afが定めるAPの機能を忠実に実装すればよい。
交換機102とAP部103の間のインターフェースは、ユーザーデータや利用可能周波数の情報等が伝達できればよく、例えばIEEE802.3が利用できる。
交換機102が、AP部103に利用させる周波数及び時間の情報を、AP部103が理解できるフォーマットに変換して、インターフェース部206から出力するので、AP部103は、インターフェース部306を介してそれを受け取り、利用可能周波数記憶部205に記憶するとともに、自身の送信動作を、その周波数及び時間にのみ行う。更にIEEE802.22とIEEE802.11afのフレーム周期を同じにできる場合、AP部103は自身が送信するIEEE802.11afのフレーム周期をRS2(BS1)のフレーム周期に同期させてもよい。
また本例のシステム間マルチホップによりループトポロジになる危険性がある場合、BS1や交換機102、AP部103のMAC層に含まれるIEEE802.1D(Spanning Tree Protocol)が利用される。
Basically, the AP unit 103 only needs to faithfully implement the AP function defined by IEEE802.11af.
The interface between the exchange 102 and the AP unit 103 only needs to be able to transmit user data, usable frequency information, and the like. For example, IEEE802.3 can be used.
The exchange 102 converts the frequency and time information to be used by the AP unit 103 into a format that can be understood by the AP unit 103 and outputs it from the interface unit 206, so that the AP unit 103 transmits it through the interface unit 306. It is received and stored in the available frequency storage unit 205, and its own transmission operation is performed only at that frequency and time. Further, when the frame period of IEEE802.22 and IEEE802.11af can be made the same, the AP unit 103 may synchronize the frame period of IEEE802.11af transmitted by itself with the frame period of RS2 (BS1).
When there is a risk of a loop topology due to multi-hop between systems in this example, IEEE 802.1D (Spanning Tree Protocol) included in the MAC layer of the BS 1, the exchange 102, and the AP unit 103 is used.

図6は、IEEE802.22のフレーム構造を示す図である。1つのスーパーフレームは、10msの周期を有するフレームが16個連続したものとして構成される。フレームは、下りサブフレーム、上りサブフレーム、Self-Coexistenceウィンドウ(必須ではない)の順で構成され、OFDMシンボル24〜41個分の長さを有する(帯域幅やサイクリックプレフィックスに依存する)。下りサブフレーム内には、先頭にプリアンブルが配され、それに続きMAP情報(下り・上りの各バーストの配置の情報)やフレーム制御ヘッダ(FCH)等が配置され、その後に複数の下りバーストが周波数(正確にはMAC上のサブチャネル)順に詰めて配置される。なおスーパーフレームの先頭のフレームの場合、プリアンブルの前にスーパーフレームプリアンブル、後にスーパーフレーム制御ヘッダ(SCH)が設けられる。FCHには、フレームの長さやMAP情報の長さなどの情報が含まれる。   FIG. 6 is a diagram showing a frame structure of IEEE802.22. One super frame is configured as 16 consecutive frames having a period of 10 ms. The frame is configured in the order of a downlink subframe, an uplink subframe, and a self-coexistence window (not essential), and has a length corresponding to 24 to 41 OFDM symbols (depending on a bandwidth and a cyclic prefix). In the downlink subframe, a preamble is arranged at the head, followed by MAP information (information on arrangement of each downlink / uplink burst), a frame control header (FCH), and the like, and thereafter, a plurality of downlink bursts have frequencies. (To be precise, subchannels on the MAC) are arranged in order. In the case of the first frame of the superframe, a superframe preamble is provided before the preamble and a superframe control header (SCH) is provided after the preamble. The FCH includes information such as the length of the frame and the length of the MAP information.

上りサブフレーム内には、CPEからの測距(ranging)信号、帯域要求、緊急在圏通知(UCSメッセージ)や上りバーストがスロット単位で時間順に詰めて配置される。
Self-Coexistenceウィンドウには、Coexistence Beacon Protocol (CBP) バーストが配置され、BS或いはBSに指示されたCPEがビーコンを送信する。ビーコンにはBSが現に使用中(Operating)、使用予定(Backup)、変更先候補(Candidate)のチャンネルに関する情報が含まれており、これを交換することで、隣接するBS同士で周波数を時間的に共有しながら棲み分けることができ、Frame-based Spectrum contentionと呼ばれる。SCHは、そのスーパーフレーム内の各フレームが、そのBS(或いは隣接するBSも含めて)によってどのように割り当てられているかを示すフレーム配置情報を伝送するために用いられる。
In the uplink subframe, a ranging signal from the CPE, a bandwidth request, an emergency location notification (UCS message), and an uplink burst are arranged in time order in slot units.
In the Self-Coexistence window, a Coexistence Beacon Protocol (CBP) burst is arranged, and a BS or a CPE instructed by the BS transmits a beacon. The beacon contains information about the channel that the BS is currently using (Operating), scheduled to be used (Backup), and the candidate for change destination (Candidate). By exchanging this information, the frequency between adjacent BSs is changed over time. It is called Frame-based Spectrum contention. The SCH is used to transmit frame arrangement information indicating how each frame in the superframe is allocated by the BS (or an adjacent BS).

図6に、本例のRS2の共存動作の流れを示す。本例は、Self-Coexistence機能によって取得した利用可能な周波数と時間について、ホワイトスペースを管理するDBやネットワークマネージャのごとくAPへ通知する手段をRS2に備えたこと等を特徴とする。また、本例のSelf-Coexistence機能は、従来技術における、干渉がBS間のみであるかどうかを判定する処理と、BS間でダウンリンクとアップリンクを同期させる処理が除かれていることも特徴である。なぜならば、IEEE802.22 WRANのサービス範囲はIEEE802.11af WLAN/WMANのサービス範囲を全て覆うほど広いため、同期を行ったところで、IEEE802.11af WLAN/WMAN への干渉を回避することはできないからである。   FIG. 6 shows the flow of the coexistence operation of RS2 in this example. This example is characterized in that the RS 2 is provided with means for notifying the AP about the available frequency and time acquired by the Self-Coexistence function, like a DB for managing white space or a network manager. In addition, the self-coexistence function of this example is characterized in that the process of determining whether interference is only between BSs and the process of synchronizing the downlink and uplink between BSs in the prior art are also excluded. It is. This is because the IEEE802.22 WRAN service range is wide enough to cover the entire IEEE802.11af WLAN / WMAN service range. is there.

図6に示すように本例の共存動作は、主にSelf-Coexistence機能制御部205が、ステップ201(S201)からステップ209(S209)を実行することで実現される。
(S201)
まず初めに、RS2の交換機102は、BS1との回線を確立するため、CPEとしてIEEE802.22 WRANにネットワークエントリを行う。
(S202)
BS1とRS2の通信を確立できた後、ホワイトスペースを管理するDBにアクセスし、IEEE802.11af WLAN/WMANが利用可能な周波数候補のリストを取得する。その際RS2は適宜、GPS等で取得した地理的位置情報や、AP部103の最大送信電力等をDBに渡す。
(S203)
主制御部204は、取得した情報をIEEE802.22とIEEE802.11afに準拠したそれぞれのフォーマットで交換機102のSelf-Coexistence機能部205と、AP部103の利用可能周波数管理部305に通知する。
As shown in FIG. 6, the coexistence operation of this example is realized mainly by the Self-Coexistence function control unit 205 executing Step 201 (S201) to Step 209 (S209).
(S201)
First, the exchange 102 of the RS2 makes a network entry to the IEEE802.22 WRAN as a CPE in order to establish a line with the BS1.
(S202)
After communication between BS1 and RS2 is established, the DB managing the white space is accessed to obtain a list of frequency candidates that can be used by IEEE802.11af WLAN / WMAN. At that time, the RS 2 appropriately passes the geographical position information acquired by the GPS, the maximum transmission power of the AP unit 103, and the like to the DB.
(S203)
The main control unit 204 notifies the acquired information to the self-coexistence function unit 205 of the exchange 102 and the usable frequency management unit 305 of the AP unit 103 in respective formats compliant with IEEE802.22 and IEEE802.11af.

(S204)
通知された情報を基に、交換機102とAP部103はIEEE802.11af WLAN/WMAN単独で利用可能な周波数があるかどうかの判定をビーコンの受信やスペクトラムセンシングなどによって行う。
(S205)
もし、自システム単独で利用可能な周波数が存在する場合には、AP部103は該周波数の中から任意の周波数を選択し、通信を行う。
(S206)
もし、自システム単独で利用可能な周波数がなく、IEEE802.22 WRANと同一周波数を共有しなくてはならない場合には、交換機はSelf-Coexistence機能を用い、フレームコンテンションを行うことによって周波数の確保を試みる。このとき、BS1からはRS2は、周波数を共有する他のBSとして認識されることとなる。
(S204)
Based on the notified information, the exchange 102 and the AP unit 103 determine whether there is a frequency that can be used solely by the IEEE802.11af WLAN / WMAN by receiving a beacon or spectrum sensing.
(S205)
If there is a frequency that can be used by the system itself, the AP unit 103 selects an arbitrary frequency from the frequencies and performs communication.
(S206)
If there is no frequency that can be used by the system itself and it must share the same frequency with IEEE802.22 WRAN, the exchange uses the Self-Coexistence function to secure the frequency by performing frame contention. Try. At this time, RS2 is recognized as another BS sharing the frequency from BS1.

フレームコンテンション以後の流れを、図7に示す。具体的には、IEEE802.22の規定するフレームコンテンションを用いてBS1に対して、フレームの開放要求を行い。BS1内でIEEE802.22の規定するランダムアルゴリズムに従って、フレームの開放、非開放を決定し、その結果をRS2に通知する。
(S207)
フレームの開放要求によって、フレームの利用が可能となったら、利用可能な周波数と時間をIEEE802.11af
に準拠したフォーマットでAPの利用可能周波数管理部305に通知する。
(S208)
AP部103は、得られた利用可能な時間に、MS3へ利用可能な周波数と時間を通知を行う。つまり、BS1が管理するフレームタイミングの内、BS1とRS2の間で通信するフレーム期間と、RS2とMS3の間の通信で専有されるフレーム期間とを、交互に繰り返すことで、MS3から受け取った上りデータをBS1への上りデータに運び、BS1からの下りデータをMS3への下りデータに運び、ユーザデータの取次ぎをする。この繰り返しは、オンデマンドに或いはスーパーフレーム周期で行うことができる。これによって、IEEE802.11af WLAN/WMANは、IEEE802.22 WRANと共存可能な形で通信可能となる。
(S209)
その後、交換機102のSelf-Coexistence機能部205は、自身を中継局としてバックホール回線に接続するIEEE802.11af WLAN/WMANのトラヒック(及びそれらのQoSクラス)を監視し、IEEE802.11afのトラヒック量が多くなった場合には、BSに対し、更なる周波数の利用要求を行うべく、以上の手段を再実行する。逆に他のシステムや、BSからの周波数の利用要求があった場合は、QoSに応じて周波数を融通するために、以上の手段を再実行する。
The flow after frame contention is shown in FIG. Specifically, a frame release request is made to BS1 using frame content defined by IEEE802.22. In BS1, according to a random algorithm defined by IEEE802.22, frame release / non-release is determined, and the result is notified to RS2.
(S207)
When a frame can be used due to a frame release request, the available frequency and time are set to IEEE802.11af.
Is notified to the AP usable frequency management unit 305 in a format compliant with the above.
(S208)
The AP unit 103 notifies the available frequency and time to the MS 3 at the obtained available time. In other words, among the frame timings managed by BS1, the frame period communicated between BS1 and RS2 and the frame period exclusively used for communication between RS2 and MS3 are alternately repeated to obtain the uplink received from MS3. Data is carried to uplink data to BS1, downlink data from BS1 is carried to downlink data to MS3, and user data is brokered. This repetition can be done on demand or in superframe cycles. As a result, the IEEE802.11af WLAN / WMAN can communicate with the IEEE802.22 WRAN in a coexistent manner.
(S209)
Thereafter, the Self-Coexistence function unit 205 of the exchange 102 monitors the IEEE802.11af WLAN / WMAN traffic (and their QoS class) connected to the backhaul line using itself as a relay station, and the traffic amount of the IEEE802.11af is determined. When the number increases, the above means are re-executed in order to request the BS to use a further frequency. Conversely, when there is a request for use of a frequency from another system or BS, the above means are re-executed in order to accommodate the frequency according to the QoS.

BS1に複数のRSが属する場合、1つのRSが一旦フレーム開放に成功すると、そのフレーム時間は、他のRSにとっても利用可能な時間として認識され、IEEE802.11afに割り当てることができる。例えばS206のフレームコンテンションの前に、BS1からのSCHを受信して空きフレームを確認し、空きフレームが無い場合にS206に移行し、空きフレームがあればその周波数及び時間をAP部103に通知後、S207に移行するようにしてもよい。   When a plurality of RSs belong to BS1, once one RS successfully releases a frame, the frame time is recognized as a time that can be used by other RSs and can be assigned to IEEE802.11af. For example, before the frame contention in S206, the SCH from the BS1 is received to check the empty frame. If there is no empty frame, the process proceeds to S206, and if there is an empty frame, the frequency and time are notified to the AP unit 103. Thereafter, the process may proceed to S207.

以上の例では、RS2はIEEE802.22のフレームコンテンションによって獲得した、自身で利用(送信)可能な周波数と時間を、IEEE802.22で使わずにIEEE802.11afで使用する。   In the above example, RS2 uses the frequency and time that can be used (transmitted) by itself by IEEE802.11af instead of IEEE802.22, which is acquired by IEEE802.22 frame contention.

なお、RS2がS204のフレームコンテンションに参加するためには、RS2が送信するCBPが正規のBSからのものであるとBS1に認識させる必要があるので、RS2はBSとして、ブロードキャスト、ネットワーク認証や制御管理プレーンの諸動作を必要に応じて行う。
また、RS2がIEEE802.22以外に他の無線システムやFTTHなどのバックホール回線を備えている場合、交換機102やAP部103はS201の前にDBにアクセスしても良く、この場合は、RS2は中継器というよりは、むしろ、協調動作のためのシステムとして機能する。
In order for RS2 to participate in the frame contention of S204, it is necessary for BS1 to recognize that the CBP transmitted by RS2 is from a regular BS. Various operations of the control management plane are performed as necessary.
In addition, when RS2 is provided with a backhaul line such as another wireless system or FTTH other than IEEE802.22, the exchange 102 or the AP unit 103 may access the DB before S201. In this case, RS2 Rather than a repeater, it functions as a system for cooperative operation.

なお、基地局間通信を伴うフレームコンテンション(S206)に代えて、CPEからBSに対しフレームの一部または全部を開放させる方法がいくつか利用できる。
例えばIEEE802.22には、CPEが近隣の同じシステムからのCBPバーストやSCHを受信したときにその情報を自身が帰属しているBSに報告し、BSが干渉を回避するようにフレーム配置をスケジュールする機能がある。それを利用して、RS2が、任意のフレーム時間であたかも干渉を受けたかのようにBS1に報告し、BS1からのSCHを受信してそのフレーム時間がどのBSにも割り当てられていない(つまり開放された)ことを確認してから、そのフレーム時間をIEEE802.11afで利用可能なものとしてAP部102に与えても良い。
または、UCSメッセージに対するBSの応答が十分俊敏であるなら、UCSメッセージを用いてあたかも干渉を受けたかのようにBS1に報告してもよい。
これらの干渉報告は、干渉の発生を事前に予測した有意義なものであり、不正ではない。
In place of frame contention (S206) involving inter-base station communication, several methods for releasing part or all of the frame from the CPE to the BS can be used.
For example, in IEEE802.22, when a CPE receives a CBP burst or SCH from the same neighboring system, the information is reported to the BS to which it belongs, and the frame arrangement is scheduled so that the BS avoids interference. There is a function to do. Using it, RS2 reports to BS1 as if it had received interference for any frame time, received the SCH from BS1, and that frame time has not been assigned to any BS (ie freed) After confirming that, the frame time may be given to the AP unit 102 as being usable in IEEE802.11af.
Alternatively, if the BS response to the UCS message is sufficiently agile, the UCS message may be used to report to BS 1 as if it received interference.
These interference reports are meaningful predictions of the occurrence of interference in advance and are not fraudulent.

なおこれらのBS−CPE間通信による方法では、フレームコンテンションのようなQoSを考慮した公平なフレーム割り当ては困難なので、BS1が利用するフレームが極端に少ないとSCHから判別されたときは、真に干渉を受けている場合を除き干渉報告を自制するべきである。   In these BS-CPE communication methods, since fair frame allocation considering QoS such as frame contention is difficult, if it is determined from SCH that the number of frames used by BS1 is extremely small, it is truly Interference reporting should be suppressed unless it is subject to interference.

以上説明したように、本実施形態によれば、従来のAPに変更を加えることなく、また標準規格に変更を加えることなく、IEEE802.22とIEEE802.11afの共存を可能とする。   As described above, according to the present embodiment, IEEE802.22 and IEEE802.11af can coexist without changing the conventional AP and without changing the standard.

本発明は、共通の周波数帯を使用し、方式(特にセルサイズ)が異なる2つのコグニティブ無線システムを接続する場合に好適であり、セルサイズが小さい(通信距離の短い)方のコグニティブ無線システムとしては、IEEE802.11afのほかECMA-392等のテレビホワイトスペースを用いる多くの無線システムが利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for connecting two cognitive radio systems using a common frequency band and having different systems (especially cell sizes), and as a cognitive radio system having a smaller cell size (short communication distance). In addition to IEEE802.11af, many wireless systems that use TV white space such as ECMA-392 can be used.

1…基地局(Base Station)、2…中継局(Relay
Station)、3…移動局(Mobile Station)、
101…アンテナ、102…交換機(Gateway)、103…アクセスポイント(AP)、
104…端子、105…端子、106…端子、107…端子、
201…RF部、202…BB信号処理部、203…MAC処理部、
204…主制御部、205…Self-Coexistence機能制御部、
206…インターフェース部、
301…RF部、302…BB信号処理部、303…MAC処理部、
304…主制御部、305…利用可能周波数記憶部、306…インターフェース部
1 ... Base Station, 2 ... Relay Station (Relay
Station), 3 ... Mobile Station,
101 ... antenna, 102 ... switch (Gateway), 103 ... access point (AP),
104 ... terminal, 105 ... terminal, 106 ... terminal, 107 ... terminal,
201 ... RF unit, 202 ... BB signal processing unit, 203 ... MAC processing unit,
204 ... main control unit, 205 ... self-coexistence function control unit,
206 ... interface part,
301 ... RF unit 302 ... BB signal processing unit 303 ... MAC processing unit
304 ... main control unit, 305 ... usable frequency storage unit, 306 ... interface unit

Claims (4)

共通の周波数帯を使用し方式が互いに異なる第一及び第二のコグニティブ無線システムを接続する異種システム間中継装置において、
該第一のコグニティブ無線システムにおいて少なくともクライアントとして動作し、該第一のコグニティブ無線システムの基地局と無線通信する交換機ユニットと、
該第二のコグニティブ無線システムにおいてアクセスポイントとして動作し、該第二のコグニティブ無線システムの加入者局と無線通信するアクセスポイントユニットと、を備え、
該交換機ユニットは、該第一のコグニティブ無線システムにおいて利用可能であるとして獲得した周波数又は時間の範囲に関する情報を、該アクセスポイントユニットに与え、該アクセスポイントユニットは該与えられた周波数又は時間の範囲内でのみ、該加入者局と無線通信を行うことを特徴とする異種システム間中継装置。
In the inter-system relay device for connecting the first and second cognitive radio systems using a common frequency band and having different methods,
An exchange unit that operates as at least a client in the first cognitive radio system and wirelessly communicates with a base station of the first cognitive radio system;
An access point unit that operates as an access point in the second cognitive radio system and wirelessly communicates with a subscriber station of the second cognitive radio system,
The switch unit provides the access point unit with information regarding the frequency or time range acquired as available in the first cognitive radio system, the access point unit providing the given frequency or time range. A relay device between heterogeneous systems, which performs radio communication with the subscriber station only within the network.
請求項1記載の異種システム間中継装置において、
前記第一のコグニティブ無線システムは、前記第二のコグニティブ無線システムよりも長い通信距離を有するものであり、
前記交換機ユニットは、既存局に関するデータベースへのアクセスと、スペクトルセンシングの結果とに基づいて、空き周波数を調べ、空き周波数があれば該空き周波数に関する情報を前記アクセスポイントユニットに与え、空き周波数がなければ前記基地局に対し所定の時間の範囲での開放を要求し、前記基地局が使用する周波数及び前記基地局から通知された利用可能な時間に関する情報を、前記アクセスポイントユニットに与えることを特徴とする異種システム間中継装置。
The relay device between different systems according to claim 1,
The first cognitive radio system has a longer communication distance than the second cognitive radio system;
The exchange unit checks the free frequency based on the access to the database related to the existing station and the result of spectrum sensing, and if there is a free frequency, gives information on the free frequency to the access point unit. Requesting the base station to release within a predetermined time range, and providing the access point unit with information on the frequency used by the base station and the available time notified from the base station. A relay device between different systems.
請求項2記載の異種システム間中継装置において、
前記交換機ユニットは、前記第一のコグニティブ無線システムが規定するシステム内共存機能を利用して、第一のコグニティブ無線システムで用いるものとして前記所定の時間の範囲での開放を要求し、前記所定の時間の範囲は、前記基地局が送信するスーパーフレームを構成する複数のフレームの中から所定のフレームを割り当てられることによって定まることを特徴とする異種システム間中継装置。
The relay device between different systems according to claim 2,
The exchange unit uses the in-system coexistence function defined by the first cognitive radio system to request an opening within the predetermined time range for use in the first cognitive radio system, and A time range is determined by assigning a predetermined frame from a plurality of frames constituting a super frame transmitted by the base station.
共通の周波数帯を使用し方式が互いに異なる第一及び第二のコグニティブ無線システムを接続する異種システム間中継方法において、
交換機ユニットが、該第一のコグニティブ無線システムのクライアントとしてネットワークにエントリするステップと、
交換機ユニット或いはアクセスポイントユニットが、外部に設けられた周波数利用状況を管理するデータベースにアクセスし、利用可能な周波数の情報を取得するステップと、
交換機ユニット及びアクセスポイントユニットが、無線信号を受信し、第一及び第二のコグニティブ無線システムにおける夫々の方法で、利用可能な周波数を検出するステップと、
第一及び第二のコグニティブ無線システムで利用可能な第一の周波数が検出されたときに、アクセスポイントユニットが該第一の周波数を使って加入者局との通信を開始するステップと、
該利用可能な第一の周波数が検出されなかったときに、交換機ユニットが、交換機ユニットが属する第一のコグニティブ無線システムの基地局と通信してフレームコンテンションを行うステップと、
交換機ユニットが、該フレームコンテンションの結果であるフレームの開放の通知を受信し、アクセスポイントユニットが利用可能な時間としてアクセスポイントユニットに通知するステップと、
アクセスポイントユニットが、該利用可能な時間内で、加入者局と通信するステップと、
交換機ユニットとアクセスポイントユニットの間で、ユーザデータを中継するステップと、を備えた異種システム間中継方法。
In a relay method between different systems for connecting the first and second cognitive radio systems using a common frequency band and having different methods,
An exchange unit entering the network as a client of the first cognitive radio system;
An exchange unit or an access point unit accesses a database for managing a frequency usage state provided outside, and obtains information on available frequencies; and
An exchange unit and an access point unit receiving radio signals and detecting available frequencies in respective ways in the first and second cognitive radio systems;
Initiating communication with a subscriber station using the first frequency when a first frequency available in the first and second cognitive radio systems is detected;
When the available first frequency is not detected, the exchange unit communicates with the base station of the first cognitive radio system to which the exchange unit belongs to perform frame contention;
The exchange unit receives a notification of the release of the frame as a result of the frame contention and notifies the access point unit as an available time for the access point unit;
The access point unit communicating with the subscriber station within the available time;
Relaying user data between an exchange unit and an access point unit.
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