JP4364194B2 - 無線通信システム、無線チャネル監視装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、無線チャネル監視装置および無線通信方法に関し、特にコグニティブ無線通信技術に関する。

情報化社会の発展により、身近な場面で使用出来る通信手段が飛躍的に増加しており、その通信速度の増加も著しい。通信速度を増加させるために、特定の用途に使用されてきた帯域を違う用途に使用させる例も多い。例えば一般的な無線通信では、特定の帯域を特定の用途に限定して使用するよう法律で定めているが、いくつかの帯域は複数の用途に開放している。将来的にはUWB (Ultra-wideband)のように非常に広い帯域を小電力近距離通信に限定して、他の用途と重ねるように開放する可能性がある。さらに、現状で特定のシステムに対してライセンスされている帯域を、そのシステムが使用していない場所・時間に限ってアンライセンス端末が使用できるようにするコグニティブラジオと呼ばれる方式の検討が開始されている(例えば特許文献１参照)。

コグニティブラジオの基本的な考え方は、使用可能性がある帯域をスキャンして使用状況を検出し、使用されていなければ使用するというものである。したがって、ライセンス端末または、既存の無線システムになるべく干渉を与えないようにして、未使用無線チャネルを使用しなければならない。ライセンス端末または、既存の無線システムの干渉を検出し、干渉を回避する方法として特開2002-135831（特許文献２）がある。これは、端末が干渉を検出すると、一旦基地局に報告し、基地局が報知チャネルを用いてアソシエーションしている全ての端末に送信停止を通知するものである。コグニティブラジオの特徴は使用されていない無線チャネルを使用するだけでなく、空間的にまたは時間的に他のライセンス端末または、既存の無線システムに干渉を与えなければ通信を行い、無線帯域の利用効率を向上させることである。従って、空間的または、局所的にライセンス端末や既存の無線システムに干渉を与えるかどうか判断しなければならない。しかし、特開2002-135831公報では、基地局が形成するサービスエリア単位でしか無線チャネルを制御することしか出来なかった。
特許第3583962号公報 特開 2002-135831公報

コグニティブラジオでは、周波数利用効率を向上するために、空間的に細かい単位でライセンス端末や既存の無線システムに干渉を与えないようにして無線チャネルを使用しなければならない。しかし、特開 2002-135831公報のように従来は、干渉つまりは、他の無線システムまたライセンス端末の送信を検出してから、その端末に干渉を与えないように送信を停止するには、端末が検出し一旦、基地局に通知し、基地局の同報により端末の送信を停止していた。したがって、干渉を検出してから端末の送信を停止するまで時間がかかってしまい、他の無線システムに干渉を与える時間が長くなる問題があった。さらに、基地局が同報してアソシエーションしている全ての端末の送信を停止するので、送信を停止する領域は基地局が形成するサービスエリア単位になり、もっと細かい単位で制御することが出来ず周波数利用効率が向上しない問題点があった。

本発明は、基地局が形成するサービスエリアより細かい空間単位で空きチャネルを検出し、その空きチャネルで通信を行うことができるようにした無線通信システム、無線チャネル監視装置および無線通信方法を提供する。

本発明の一態様としての無線通信システムは、複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通して割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局と、前記基地局のサービスエリアに複数配置される無線チャネル監視装置とを備えた無線通信システムであって、前記無線チャネル監視装置は、前記基地局のサービスエリアにおける部分エリアを監視して、既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置と、を検出するチャネル検出手段と、前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出する端末検出手段と、検出した前記無線端末の情報と、検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、前記検出した無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とを前記基地局に通知する通知手段と、前記基地局によって前記無線端末に割り当てられた無線チャネルの情報を受信するチャネル割り当て情報受信手段と、前記無線端末による前記割り当てられた無線チャネルの使用を検出し、使用が検出された前記無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視する干渉検出手段と、前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記無線端末に通知する干渉通知手段と、を有し、前記基地局は、前記無線チャネル監視装置から通知された、前記使用されていないまたは使用中の無線チャネル情報と、前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とに基づいて、前記部分エリア内の前記無線端末に割り当てる無線チャネルを決定する無線チャネル決定手段と、前記無線端末に割り当てた無線チャネルの情報を少なくとも前記無線端末が属する前記無線チャネル監視装置に通知する割り当て情報通知手段と、を有する、ことを特徴とする。

本発明の一態様としての無線チャネル監視装置は、複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通に割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局のサービスエリアに複数配置される無線チャネル監視装置であって、前記基地局のサービスエリアにおける部分エリアを監視して、既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置と、を検出するチャネル検出手段と、前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出する端末検出手段と、検出した前記無線端末の情報と、検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、前記検出した無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とを前記基地局に通知する通知手段と、前記使用されていないまたは使用中の無線チャネル情報と、前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とに基づき前記基地局によって前記無線端末に割り当てられた無線チャネルの情報を受信するチャネル割り当て情報受信手段と、前記無線端末による前記割り当てられた無線チャネルの使用を検出し、使用が検出された前記無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視する干渉検出手段と、前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記無線端末に通知する干渉通知手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様としての無線通信方法は、複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通に割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局のサービスエリアにおける各部分エリアを監視して、各前記部分エリアから既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置とを検出し、各前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出し、各前記部分エリアから検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、各前記部分エリアから検出された前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置と、前記端末の位置とに基づき、各前記無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て、前記割り当てた無線チャネルが前記無線端末により使用されているか否かを検査し、前記割り当てた無線チャネルが使用されている場合は、前記割り当てた無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視し、 前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記割り当てた無線チャネルを使用している無線端末に通知する、ことを特徴とする。

本発明により、基地局が形成するサービスエリアより細かい空間単位で空きチャネルを検出し、その空きチャネルで通信を行うことができる。

図１に本発明を実施するシステム構成図の一例を示す。コグニティブ無線システムは、コグニティブ基地局1001,データベース1002,コグニティブ端末Ａ1003,コグニティブ端末B1004,コグニティブ端末C1005,無線チャネル監視装置A1006,無線チャネル監視装置Ｂ1007,無線監視装置C1008により構成されている。コグニティブ無線システムは、携帯電話システムが使用している無線チャネルや無線LANシステムが使用している無線チャネルやレーダが使用している無線帯域を共用して無線通信を行なうシステムである。かつ、コグニティブ無線システムは、無線チャネルを共用しつつ既存の無線システムに干渉を与えないようにする。例えば図１の携帯電話1010が通信を行なっていない場合は、コグニティブ端末Ａ1003とコグニティブ端末Ｂ1004は携帯電話システムの無線チャネルを使って通信を行なう。同様に無線LAN1012,レーダ1011に干渉を与えないように、無線LAN1012が使用している無線チャネルやレーダ1011が使用している無線帯域をコグニティブ無線システムで使用する。

次にコグニティブ端末が使用する空き無線チャネルの検出方法を説明する。無線チャネル監視装置は一定間隔で既存システムの周波数帯域をスキャンしRSSI(Received Signal Strength Indicator)を測定する。例えば、無線LANやレーダでは5GHz帯を携帯電話システムでは、800MHz,1.9GHz帯をスキャンする。スキャンした結果は、無線の制御チャネルを使ってコグニティブ基地局に通知する。具体的にはコグニティブ基地局が無線チャネル監視装置をポーリングすることにより、各無線チャネル監視装置のスキャン結果を収集する。スキャン結果や制御情報等データ量が少ない情報は、既存無線システムに干渉を与えないＵＷＢ(Ultra Wide Band)を用いる。図２に無線チャネル監視装置から既存システムの無線チャネルの利用状況をスキャンした結果を収集するために、コグニティブ基地局が無線チャネル監視装置にポーリングを行なうシーケンスを示す。コグニティブ基地局は、この様なポーリングのシーケンスを定期的に行なう。なお、無線チャネル監視装置とコグニティブ基地局間の情報はＵＷＢを用いた制御無線チャネルで行なう他に、無線チャネル監視装置とコグニティブ基地局間を有線で接続し通信することも可能である。

コグニティブ端末は、コグニティブ基地局から無線チャネルを割り当ててもらうために、まず、コグニティブ基地局にアソシエーションを行なう。アソシエーションはＵＷＢを利用した無線制御チャネルにより行なう。また同時に、コグニティブ端末がアソシエーションする際に、無線チャネル監視装置はコグニティブ端末が送信している無線制御チャネルを受信し、コグニティブ端末の情報を取得する。そして、取得したコグニティブ端末の情報を、スキャン結果と同時にコグニティブ基地局に通知する。この様にして、コグニティブ基地局は、各無線チャネル監視装置から収集した既存システムの無線チャネル利用状況とコグニティブ端末の情報とから、コグニティブ端末に割り当てる無線チャネルを決定する。例えば、コグニティブ基地局は、ある無線チャネル監視装置の監視範囲にコグニティブ端末が存在する場合、この監視範囲で空きの無線チャネルをこのコグニティブ端末に割り当てる。コグニティブ基地局は、コグニティブ端末に割り当てる無線チャネルを決定したら、決定内容をデータベース1002に格納する。図３にデータベースの一例を示す。この例では、各コグニティブ端末には第二候補までの無線チャネルを割り当てる。図３では、コグニティブ端末Ａに第一候補としてキャリア周波数800MHz、使用帯域幅1MHz、第二候補としてキャリア周波数1.9GHz,使用帯域幅5MHzを割り当て、コグニティブ端末Ｂには第一候補としてキャリア周波数800MHz,使用帯域幅1MHz、第二候補としてキャリア周波数1.9GHz,使用帯域幅5MHzを割り当て、コグニティブ端末Ｃには第一候補としてキャリア周波数5GHz,使用帯域20MHz、第二候補としてキャリア周波数1.9GHz、使用帯域5MHzを割り当てる。これら割り当てた情報は、コグニティブ基地局がＵＷＢによる制御チャネルにより全てのコグニティブ端末に報知する。報知された無線チャネル割り当て情報は全てのコグニティブ端末で受信され、保存される。また、無線チャネル監視装置もコグニティブ基地局から報知された割り当て情報を受信し、保存する（少なくとも自分の監視範囲内のコグニティブ端末に割り当てられた無線チャネルの情報を保存する）。

また、無線チャネル監視装置にGPSを搭載している場合は、無線チャネル監視装置の緯度・経度とコグニティブ端末が送信している無線の到来方向とRSSIによりコグニティブ端末位置の緯度・経度を推定できる。同様に既存システムのスキャン時でも、既存システムの端末が送信している無線の到来方向とRSSIにより既存システムの端末位置の経度・緯度を推定できる。これら、推定したコグニティブ端末の緯度・経度、既存システムの端末の緯度・経度と空きチャネル情報を基地局に送信することも可能である。基地局は、既存システムの端末の位置とコグニティブ端末の位置とから、既存システムの端末に干渉を与えないようにコグニティブ端末に無線チャネルを割り当てることも可能である。例えば、コグニティブ端末の位置が既存システムの端末の位置から閾値以上離れている場合は、既存システムの端末が使用している周波数帯域はコグニティブ端末に割り当て可能と判断してもよい。この際、閾値は既存システムの端末のRSSIを元に決定してもよい。また、判断の際に用いる既存システムの端末の位置および空きチャネル情報は、着目するコグニティブ端末が属する無線チャネル監視装置以外の無線チャネル監視装置により取得されたものをさらに用いてもよい。

コグニティブ端末Ａ1003がコグニティブ端末Ｂ1004と通信を開始する場合、コグニティブ端末Ａはコグニティブ基地局から報知され、保存しているチャネル割り当て情報を検索し、コグニティブ端末Ａとコグニティブ端末Ｂが共に割り当てられている無線チャネルを決定する。図３のデータベースによりキャリア周波数800MHz,使用帯域1MHzが共に割り当てられているので、コグニティブ端末Ａはこの無線チャネルを使って通信を開始する。一方、無線チャネル監視装置Ａは、コグニティブ基地局から報知され保存している無線チャネル割り当て情報により、全ての端末に割り当てられた無線チャネルをスキャンし（少なくとも自分の監視範囲に存在するコグニティブ端末に割り当てられた無線チャネルをスキャンし）、コグニティブ端末が通信をしているかを検出する。さらに、コグニティブ端末が通信している無線チャネル上に干渉がないかも監視する。

なお、コグニティブ基地局はコグニティブ端末にその端末に割り当てたチャネルの情報のみを通知するようにし、コグニティブ端末は通信を開始する場合は、通信相手となるコグニティブ端末とのＵＷＢを用いたネゴシエーションにより通信に用いる無線チャネルを決定してもよい。

800MHzの無線チャネルでコグニティブ端末Ａ1003とコグニティブ端末Ｂ1004が通信を行なっており、コグニティブ端末Ａがコグニティブ端末Ｂに送信しているとする。このとき、携帯電話1010が800MHzの無線チャネルで通信を開始すると、コグニティブ端末Ａ1003が携帯電話1010に干渉を与えてしまう。また、コグニティブ端末Ａ1003は送信をしているので、携帯電話1010が通信を開始したこと認識できない。一方、無線チャネル監視装置A1006は、コグニティブ端末Ａ1003が送信している無線チャネルを監視し、無線チャネル上に干渉が生じたか検出することが出来る。無線チャネル監視装置A1006が干渉を検出すると既存無線システムが無線チャネル上で送信を開始したと判断し、コグニティブ端末Ａ1003に送信を停止するように、無線チャネル上に干渉があったことを通知する。無線チャネル監視装置A1006から通知されたコグニティブ端末Ａ1003は、既存の無線システムに干渉を与えないようにすぐに送信を停止する。この様に、無線チャネル監視装置が、コグニティブ端末が使っている無線チャネルの干渉を検出し、干渉が検出されるとコグニティブ端末に送信停止させることにより、既存無線システムに与える干渉を最小限にすることが出来る。

図４に無線チャネル監視装置の構成図の一例を示す。制御チャネルを送受信するためのアンテナ4070とそれに接続されたUWB受信機4071とUWB送信機4072により、制御チャネルの送受信を行なう。アンテナ4010〜4013の４本のアンテナによりアレーアンテナを構成し、各アンテナにダウンコンバータやチャネル選択を行なうRF/IF部4020〜4023とアナログデジタル変換を行なうA/D部4030〜4033が接続される。アンテナ4010〜4013で受信された無線信号は、RF/IF部4020〜4023においてベースバンド信号に変換され、さらにA/D部4030〜4033においてデジタル信号に変換された後、到来波検出部4041,無指向性合成部4051,指向性合成部4061に出力される。到来波検出部4041はアレーアンテナから受信された信号によりどの方向から信号が到来してきたかを推定する。無指向性合成部4051は、アンテナ4010〜4013からの受信信号を合成する場合、アンテナの指向性が無指向性となるように合成する。合成された信号は、RSSI測定部4052に出力されてRSSIが測定され、測定されたRSSIは制御部4080に渡される。また、合成された信号は復調部4053に出力され、復調部4053において復調され受信品質測定部4054で受信品質が測定されその結果は制御部4080に渡される。指向性合成部4061は、到来波検出部4041で推定した到来方向にアンテナ4010〜4013が指向性を向けるように各アンテナから受信された信号を合成する。合成された信号はRSSI測定部4062でRSSIが測定され制御部4080に出力される。また同時に、合成された信号は復調部4063に渡され、復調部4063において復調され、その後、受信品質測定4064で受信品質が測定されその結果が制御部4080に渡される。既存無線システムが無線チャネルを使用しているかの有無をスキャンする場合、まず、到来波検出部4041で到来方向を検出し、次に指向性合成部4061で指向性合成を行い、指向性合成により得た信号を用いてRSSI測定部4062でRSSIを測定する。そして、検出した到来方向や測定したRSSI等のデータから制御部4080で既存無線システムの端末や基地局のうち無線チャネルを使用している端末や基地局の位置を推定する。そして、既存無線システムが使用している無線チャネルとその位置情報をUWB送信機4072でUWBに変調しコグニティブ基地局に通知する。また、無線チャネル監視装置は、コグニティブ端末がコグニティブ基地局にアソシエーションする際に使用する制御チャネルをスキャンする。到来波検出部4041で制御チャネルの電波の到来方向を推定し、さらにその到来方向に指向性を向けるように指向性合成部4061で各アンテナから受信された信号を合成する。合成により得た信号を用いてRSSI測定部4062でRSSI測定を行い、復調部4063,受信品質測定部4064により受信品質を測定し、それらの結果（推定した到来方向、測定したRSSI、測定した受信品質）からコグニティブ端末の位置を推定する。推定されたコグニティブ端末の位置は、UWB送信機4072によりコグニティブ基地局に通知される。コグニティブ基地局から通知されるコグニティブ端末に割り当てた無線チャネル情報により、無線チャネル監視装置はアソシエーションしているコグニティブ端末に指向性をむけて割り当てられている無線チャネルをスキャンする。このために、指向性合成部4061でアソシエーションしているコグニティブ端末にアンテナの指向性を向けるように設定し、RSSI測定部4062の出力によりコグニティブ端末が送信し始めたか判断する。コグニティブ端末に指向性を向けているため精度良く監視することが可能となる。同時に無指向性合成部4051でもコグニティブ端末の受信信号を無指向性になるように合成し、合成により得た信号を用いて、RSSI測定部4052においてRSSI測定を行い、また復調部4053、受信品質測定部4054により受信品質を測定する。この様にアレーアンテナを無指向性にしてRSSIや受信品質を測定することにより、既存無線システムがコグニティブ端末の使用している無線チャネル上で通信を開始した場合、その干渉を検出できるようにする。図１４に干渉検出フローチャートを示す。信号を受信すると（14001）その信号が正常に復調されたかどうか調べる（14002）。正常に復調にされたかどうかは例えばパリティチェック、CRCチェック、既知パターンとの相関により調べることが考えられる。正常に復調されていれば（14002のYES）、干渉が無かったとして終了する（14003）。復調が正常に行なわれなかったら（14002のNO）、RSSIを測定し（14004）、RSSIが正常に復調されているときより増加しているか調べる（14005）。増加していなかったら（14005のNO）干渉が無かったと判断し（例えばフェージングにより復調が正常にできなかったことが考えられる）（14003）、増加していたら（14005のYES）干渉があると判断する（14006）。無線チャネル監視装置が、コグニティブ端末が通信している無線チャネル上で干渉を検出すると、送信しているコグニティブ端末に送信を停止するために、停止命令を変調部4090で変調する。変調した信号は、アレーアンテナの指向性がコグニティブ端末に向くように、指向性重み付け部4091でアンテナ毎に重み付けされる。アンテナ毎に重み付けされた変調信号は、デジタルアナログ変換部A/D4034〜4037でアナログ信号に変換され、RF/IF部4024〜4027でアップコンバートされて、アンテナ4010〜4013から送信される。この様に、送信停止信号の指向性を絞ることで、送信停止信号の送信が既存の無線システムに干渉を与えることを阻止できる。

次に図５を用いて、無線チャネル監視装置がコグニティブ端末に送信停止信号を通知する方法を詳細に説明する。今、コグニティブ端末Ａ5003とコグニティブ端末B5004とがTDD(Time Division Duplex)により通信を行なっているとする。この時、携帯電話5010がコグニティブ端末A5003とコグニティブB5004で通信を行なっている無線チャネルで通信を開始し、それを無線チャネル監視装置Ａ5006が検出したとする。無線チャネル監視装置A5006は携帯電話5010に干渉を与えるコグニティブ端末Ａ5003の送信を停止させるため、送信停止をコグニティブ端末Ａ5003に通知する。コグニティブ端末Ａ5003とコグニティブ端末Ｂ5004とがメッセージ5020を送信するとき必ず何も送信しないフィールド5021を設ける。無線チャネル監視装置A5006はこのフィールド5021のタイミングに同期して送信停止メッセージ5022をコグニティブ端末Ａ5003に送信する。この様にすることで、コグニティブ端末Ａ5003がメッセージを受信中であっても、無線チャネル監視装置Ａ5006はコグニティブ端末Ａ5003に送信停止メッセージを通知することが出来、携帯電話5010への干渉を最小に抑えることが出来る。

図６にコグニティブ端末の構成の一例を示す。コグニティブ端末は、UWB受信機6011とUWB送信機6012とアンテナ6010により制御チャネルの送受を行なう。コグニティブ基地局から報知される無線チャネル割り当て情報はUWB受信機6011により受信し制御部6020でその情報が保存される。通信を開始する場合、コグニティブ基地局から割り当てられた情報により無線チャネルを設定し、変調部6008で送信信号を変調しデジタルアナログ変換機D/A6007で変調信号をアナログ信号に変換し、アナログ信号はRF/IF部6006でアップコンバートされる。通信チャネルはTDDとしているので、送信する際はスイッチ6002をRF/IF部6006に接続しアンテナ6001を介して送信を行う。通信チャネルでデータを受信する場合、スイッチ6002はRF/IF部6003に接続され、アンテナ6001からの受信信号は、RF/IF部6003でダウンコンバート、チャネル選択が施され、A/D6004でデジタル信号に変換され復調部6005で復調される。

図７にコグニティブ端末に指向性を持たせた場合のブロック図を示す。制御チャネルの送受は図６と同様にUWBの送受信機7071,7072により実現する。通信チャネルはTDDなので、アンテナ7010〜7013は送信時では、RF/IF部7024〜7027に接続され、受信時にはRF/IF部7020〜7023に接続される。送信時には指向性重み付け部7091で送信先のコグニティブ端末に指向性が向くように変調部7090で変調されたデータをアンテナ毎に重み付けをして送信する。この様にすることで既存の無線システムへの干渉を最小限に抑えて送信先への送信が可能となる。受信の場合は、指向性合成部7061で通信先コグニティブ端末にアンテナの指向性が向くように各アンテナからの信号を合成し、復調部7062で復調する。この様にすることで品質の良い受信が可能となる。また、図５に示したように無線チャネル監視装置からの送信停止信号を受信しなければならないので、図５のフィールド5021のタイミングでアンテナアレーが無指向性になるように指向性合成部7061を設定する。この様にすることで、コグニティブ端末間の通信を良好に行なえると共に、無線チャネル監視装置からの送信停止信号もコグニティブ端末は受信でき、干渉があった場合つまり、既存の無線システムが通信を開始したらすぐにコグニティブ端末は送信を停止することが出来る。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、コグニティブ端末間の通信はTDDで行なう場合を説明したが、第２の実施の形態では、FDD（Frequency Division Duplex）によりコグニティブ端末間の通信を行なう場合を説明する。

FDDなので、コグニティブ基地局は、無線チャネル監視装置から空き無線チャネルの情報を収集した後、各コグニティブ端末に送受の無線チャネルの組を割り当てなければならない。図８にデータベース1002の内容の一例を示す。コグニティブ端末Ａにはキャリア周波数800MHz、使用帯域1MHzとキャリア周波数850MHz、1MHzを送受通信チャネルの組みとして割り当て、第２候補としてキャリア周波数1.9GHz、使用帯域5MHzとキャリア周波数2GHz、使用帯域5MHzを割り当てるとする。コグニティブ端末Ｂも、コグニティブ端末Ａと同じ無線チャネルが割り当てられたとする。これら割り当て情報は第１の実施の形態と同様にコグニティブ基地局は制御チャネルで同報し、各コグニティブ端末と無線チャネル監視装置とがこの同報を受信し保存する。

図９にコグニティブ端末同士がFDDで通信する場合において無線チャネル監視装置がコグニティブ端末に送信停止信号を通知する方法を詳細に示す。コグニティブ端末Ａ9003からコグニティブ端末Ｂ9004へメッセージ9030を送信し、コグニティブ端末Ｂ9004はコグニティブ端末Ａ9003にメッセージ9020を送信する。それぞれのメッセージに送信しないフィールド9031,9021を設ける。コグニティブ端末Ａ9003の送信チャネルで携帯電話9010が通信を開始し、無線チャネル監視装置Ａ9006がこれを干渉として検出した場合、コグニティブ端末Ａ9003の送信を停止させるために、送信停止メッセージ9022をフィールド9021に同期して送信する。コグニティブ端末Ａ9003は送信中であっても、FDDであるので同時に受信が出来るので、コグニティブ端末Ａ9003は送信停止メッセージを受信できすぐに送信を停止することが出来る。つまり、FDDで通信する既存無線システムによる干渉が検出されるとすぐにコグニティブ端末の送信を停止できるので、既存無線システムに与える干渉を最小に出来る。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態においてコグニティブ端末間はTDDにより通信を行なっているが、本実施の形態では、コグニティブ端末はキャリアセンスを行い、無線チャネルがアイドルであれば送信を行なう。同様に無線チャネル監視装置がコグニティブ端末に送信停止を通知する場合もキャリアセンスを行いアイドルであれば送信を行なう。図１０にキャリアセンスを行い通信するブロック図を示す。コグニティブ端末Ａ10003がメッセージ10030を送信する前に10031に示す期間キャリアセンスを行い無線チャネルがアイドルであれば送信を行なう。同様に、コグニティブ端末Ｂ10004もメッセージ10020を送信する前に10021に示す期間キャリアセンスを行いアイドルであれば送信を行なう。携帯電話10010が通信を開始し、コグニティブ端末Ａ10003とコグニティブ端末Ｂ10004とで使用している無線チャネル上に干渉があることを無線チャネル監視装置Ａ10006が検出すると、コグニティブ端末Ａ10006とコグニティブ端末Ｂ10004との送信を停止するためにメッセージ10022をコグニティブ端末Ａ10003に送信する。メッセージ10022を送信する前に10023に示す期間キャリアセンスを行いアイドルであれば送信停止メッセージ10022を送信する。この時、無線チャネル監視装置Ａ10006のアンテナアレーはコグニティブ端末Ａ10003とコグニティブ端末Ｂ10004とに指向性を向けるように設定し、無線チャネルがアイドルかどうか判定する場合、携帯電話10010の影響を削減し、コグニティブ端末Ａ10003とコグニティブ端末Ｂ10004との送信が終了したかを判定するようにする。また、キャリアセンス間隔10023は、キャリアセンス間隔10031,10021より短く設定し、コグニティブ端末のメッセージ送信より優先度を上げて送信停止メッセージを送信できるようにする。この様にすることで、既存の無線システムからの干渉があると直接コグニティブ端末に送信停止を通知し、コグニティブ端末の送信を停止することが出来、既存の無線システムへの干渉を最小限に抑えることが出来る。

（第４の実施の形態）
本実施の形態では、コグニティブ端末Ａとゴグニティブ端末Ｂとが第２の実施の形態と同様にFDDで通信を行い、かつ送信する前にキャリアセンスを行う場合を説明する。第２の実施の形態のようにコグニティブ端末Ａは800MHzのキャリア周波数で送信を行い、コグニティブ端末Ｂは850MHzのキャリア周波数で送信を行うとする。それぞれのコグニティブ端末は、送信を行う前に、送信する周波数をスキャンしてアイドルなら送信する。図１１にその送信を行うブロック図を示す。コグニティブ端末Ａ11003はメッセージ11030を送信する前に、11031に示す期間800MHzの無線チャネルのキャリアセンスを行い、無線チャネルがアイドルであればメッセージ11030を送信する。同様にコグニティブ端末Ｂ11004も11021に示す期間850MHzの無線チャネルのキャリアセンスを行い、アイドルであればメッセージ11020を送信する。携帯電話11010が800MHzのキャリア周波数で通信を開始したことを無線チャネル監視装置Ａ11006が干渉として検出すると、コグニティブ端末Ａ11003の送信を停止させるために、キャリア周波数850MHzを使ってコグニティブ端末Ａ11003に送信停止信号を送信する。その際、11023に示す期間850MHzの無線チャネルのキャリアセンスを行い、アイドルであれば停止通知メッセージ11022を送信する。無線チャネル監視装置のキャリアセンス時間11023はコグニティブ端末が行なうキャリアセンス時間11031,11021より短くし送信機会の優先度を上げることで、送信停止メッセージを迅速にコグニティブ端末に伝えることが出来、さらに、FDDであるのでコグニティブ端末が送信中であっても、通信停止メッセージを通知することが出来る。以上のようにFDDにCSMA(Carrier Sense Multiple Access)を導入すると、既存の無線システムの通信に干渉を与えるコグニティブ端末に迅速に送信停止メッセージを通知することが可能となる。

（第５の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態の場合において無線チャネル監視装置が制御チャネルであるＵＷＢによりコグニティブ端末に送信停止の通知を行なう。コグニティブ端末は、通信チャネルで通信中であっても、制御チャネルにより送信停止メッセージを受信できるため、すぐに送信を停止することができ、既存の無線システムに与える干渉を最小限することが可能となる。

（第６の実施の形態）
既存無線システムとして、TDDセルラーシステムとコグニティブ無線システムとが無線チャネルを共有する例を説明する。図１２にTDDセルラーシステムとコグニティブ無線システムとが無線チャネルを共有するシステム構成図の一例を示す。セルラー基地局12011と携帯端末12010とはTDDにより通信を行なっている。TDDで通信するスロットタイミングの一例を図１３に示す。図１３ではユーザが3多重され、下りスロットと上りスロットとが時分割多重されている。従って、上りスロットのタイミングでは、セルラー基地局12011に干渉を与えなければ、無線チャネルをコグニティブ無線システムが共用して使用することが出来る。なお、無線チャネル監視装置またはコグニティブ端末は、下りスロットの信号を解析することにより、上りスロットおよび下りスロットのタイミングや、各ユーザに割り当てられた送信タイミングなどを検出可能である。今、上りスロットのタイミングでセルラー基地局12011と携帯端末とが通信を行なっておらず、コグニティブ端末Ａ12022とコグニティブ端末Ｂ12004が上りスロットのタイミングでセルラーシステムの無線チャネルを共用し、通信を行なっているとする。このとき、携帯電話12010が上りスロットで通信を開始すると、コグニティブ端末Ａ12022の送信によりセルラー基地局12011が干渉を受け、また、携帯電話12010の送信によりコグニティブ端末Ａ12022が干渉を受ける。無線チャネル監視装置Ａ12006はこれらの干渉をなくすために、コグニティブ端末Ａ12022に第１〜第５の実施の形態の方法により送信停止を通知する。コグニティブ端末Ａ12022は送信を停止し、セルラー基地局12011に干渉を与えなくなる。この様に、無線チャネル監視装置がコグニティブ基地局を介さず直接コグニティブ端末に送信停止を通知することにより、既存の無線システムに与える干渉を最小限に抑えることが出来、されに、無線チャネル監視装置を、コグニティブ基地局がカバーするサービスエリアに複数設置することで、サービスエリアより細かい単位で無線チャネルの使用許可を制御でき、周波数利用効率が向上させることが出来る。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明は、ユビキタスシステムにも利用可能である。

本発明の実施に関わるシステム構成図 コグニティブ基地局ポーリング方法を説明する図 データベース内容を示す図 無線チャネル監視装置構成図 送信停止通知方法を示す図 コグニティブ端末ブロック図 コグニティブ端末ブロック図 ＦＤＤ時のデータベース内容 ＦＦＤ時の送信停止通知を示す図 ＣＳＭＡにより通信を行なうシステム構成図 ＦＤＤとＣＳＭＡにより通信を行なうシステム構成図 ＴＤＤセルラーシステムとコグニティブ無線システム構成図 ＴＤＤスロットタイミング図 干渉検出アルゴリズムフローチャート

符号の説明

1001、12001：コグニティブ基地局
1002、12002：データベース
1003〜1005、5003、5004、9003、9004、10003、10004、11003、11004、12022、12004：コグニティブ端末
1006〜1009、5006、9006、10006、11006、12006：無線チャネル監視装置
1011：レーダ
1012：無線LAN
1010、5010、9010、10010、11010、12010：携帯電話
4010〜4013、4070、6001、6010、7010〜7013、7070：アンテナ
4020〜4027、6003、6006、7020〜7027：RF/IF部
4030〜4037、6004、7030〜7033：A/D部
4034〜4037、6007、7034〜7037：D/A部
4041：到来波検出部
4051：無指向性合成部
4052、4062：RSSI測定部
4053、4063、6005、7062：復調部
4054、4064：受信品質測定部
4061、7061：指向性合成部
4071、6011：UWB受信機
4072、6012：UWB送信機
4080、6020、7080：制御部
4090、6008、7090：変調部
4091、7091：指向性重み付け部
5020、9020、9030、10020、10030、11020、11030：メッセージ
5021、9021、9031：何も送信しないフィールド
5022、10022、11022：送信停止メッセージ
6002、7090〜7093：スイッチ
10021、10031、10023、11021、11031、11023：キャリアセンス期間
12011：セルラー基地局

Claims (6)

1. 複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通して割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局と、前記基地局のサービスエリアに複数配置される無線チャネル監視装置とを備えた無線通信システムであって、
   前記無線チャネル監視装置は、
   前記基地局のサービスエリアにおける部分エリアを監視して、既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置と、を検出するチャネル検出手段と、
   前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出する端末検出手段と、
   検出した前記無線端末の情報と、検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、前記検出した無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とを前記基地局に通知する通知手段と、
   前記基地局によって前記無線端末に割り当てられた無線チャネルの情報を受信するチャネル割り当て情報受信手段と、
   前記無線端末による前記割り当てられた無線チャネルの使用を検出し、使用が検出された前記無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視する干渉検出手段と、
   前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記無線端末に通知する干渉通知手段と、を有し、
   前記基地局は、
   前記無線チャネル監視装置から通知された、前記使用されていないまたは使用中の無線チャネル情報と、前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とに基づいて、前記部分エリア内の前記無線端末に割り当てる無線チャネルを決定する無線チャネル決定手段と、
   前記無線端末に割り当てた無線チャネルの情報を少なくとも前記無線端末が属する前記無線チャネル監視装置に通知する割り当て情報通知手段と、を有する、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記無線端末同士で送受信されるフレームは、送信が中断される送信中断フィールドをもち、
   前記無線チャネル監視装置における干渉通知手段は、監視中の無線端末へ送信されるフレームにおける前記送信中断フィールドのタイミングで前記干渉検出情報を前記無線端末に通知することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記無線端末をさらに備え、
   前記無線端末は、
   アレーアンテナと、
   送信されてくるフレームにおける前記送信中断フィールドの期間は前記アレーアンテナを無指向性とし、前記送信されてくるフレームにおける前記送信中断フィールド以外の期間、およびフレームを送信する期間は前記アレーアンテナの指向性を相手方に向ける、指向性合成部と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の無線通信システム。
4. 前記無線端末同士の間ではCSMA(Carrier Sense Multiple Access)により通信が行われ、
   前記無線チャネル監視装置における前記干渉通知手段は、前記無線端末同士間で用いられるキャリアセンス期間よりも短いキャリアセンス期間でCSMAにより前記干渉検出情報を監視中の無線端末に通知することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の無線通信システム。
5. 複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通に割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局のサービスエリアに複数配置される無線チャネル監視装置であって、
   前記基地局のサービスエリアにおける部分エリアを監視して、既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置と、を検出するチャネル検出手段と、
   前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出する端末検出手段と、
   検出した前記無線端末の情報と、検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、前記検出した無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とを前記基地局に通知する通知手段と、
   前記使用されていないまたは使用中の無線チャネル情報と、前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置情報と、前記端末の位置情報とに基づき前記基地局によって前記無線端末に割り当てられた無線チャネルの情報を受信するチャネル割り当て情報受信手段と、
   前記無線端末による前記割り当てられた無線チャネルの使用を検出し、使用が検出された前記無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視する干渉検出手段と、
   前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記無線端末に通知する干渉通知手段と、
   を備えた無線チャネル監視装置。
6. 複数の無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て無線端末同士に各々に共通に割り当てられた無線チャネルを用いて無線通信を行わせる基地局のサービスエリアにおける各部分エリアを監視して、各前記部分エリアから既存のシステムによって使用されていないまたは使用中の無線チャネルと、前記既存のシステムによって使用中の無線チャネルを使用している端末の位置とを検出し、
   各前記部分エリア内の無線端末と、前記無線端末の位置とを検出し、
   各前記部分エリアから検出された前記使用されていないまたは使用中の無線チャネルの情報と、各前記部分エリアから検出された前記無線端末の情報と、前記無線端末の位置と、前記端末の位置とに基づき、各前記無線端末にそれぞれ無線チャネルを割り当て、
   前記割り当てた無線チャネルが前記無線端末により使用されているか否かを検査し、
   前記割り当てた無線チャネルが使用されている場合は、前記割り当てた無線チャネルに干渉が発生しているかどうかを監視し、
   前記干渉が検出された場合は干渉検出情報を前記割り当てた無線チャネルを使用している無線端末に通知する、
   無線通信方法。

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