JP4685045B2 - 無線通信システム、無線通信方法、基地局装置 - Google Patents
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(手順1)セカンダリシステムは、プライマリシステムが無線通信を行っていない時間や、利用していない周波数帯域を検出する。
(手順2)セカンダリシステムは、自システムに属する装置が行う通信によりプライマリシステムの受信装置に干渉を与えないかどうかを確認する。
(手順3)セカンダリシステムは、手順2が問題ないと判断した場合、手順1で検出した周波数帯域もしくは時間により無線通信を行う。
S. Haykin, "Cognitive radio: Brain-Empowered wireless Communications," IEEE Journal on Selected Areas In Communications, vol.23, no.2, pp.201-220, Feb. 2005 D.Cabric, S.M.Mishra, and R.W.Brodersen, "Implementation Issues In Spectrum Sensing for Cognitive Radios",Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference, vol.1, pp.772-776,7-10/Nov/2004. 守倉正博 外1名、「改訂版802.11高速無線LAN教科書」、株式会社インプレス ネットビジネスカンパニー、2005年1月1日、p.80-87. 立川敬二、「W-CDMA移動通信方式」、丸善株式会社、平成13年6月25日、p74-81.
この図で示すように、セカンダリシステムに属する受信装置(基地局装置)が、「ある周波数」あるいは「ある時間」においてプライマリシステムに属する送信装置からの信号が到来していないと判断したとしても、その後すぐにプライマリシステムから信号が送信される可能性があり、またプライマリシステムに属する他の装置から信号が送信される可能性があり、プライマリシステムに属する装置に干渉の影響を与えないような周波数や時間を正しく検出できない場合がある。したがって、コグニティブ無線システムでは、非常に高い精度の信号検出が要求される。そしてこれを改善する手段として信号の周期定常性(cyclostationary)を利用した検出方法が非特許文献2で開示されている。そして、特許文献2で示されるような技術を図8の基地局装置に導入すれば、高機能なプライマリシステムの信号検出が可能となる。
図1は第一の実施形態による無線通信システムの構成を示すブロック図である。この図において、符号1は、優先的に特定周波数帯域または特定時間で無線通信を行うプライマリシステムである。また2はプライマリシステム1が送信する信号を傍受するコグニティブ制御局装置である。また3はプライマリシステム1が行う無線通信の通信効率を妨げない無線通信を行う基地局装置である。また4はプライマリシステム1が行う無線通信の通信効率を妨げない無線通信を行う端末装置である。また5はコグニティブ制御局装置1と基地局装置3との間の通信を有線ネットワーク網を介して仲介する集中局装置である。
まず、コグニティブ制御局装置2のプライマリシステム信号受信部21は、プライマリシステム1から送信された信号を受信する。そしてプライマリシステム情報送信部22は、プライマリシステム1の信号の情報(信号の波形、変調方式、周波数、到来間隔など)を検出し、その信号の情報を、集中局装置5を介してセカンダリシステムに属する各基地局装置3へ送信する。ここでコグニティブ制御局装置2はプライマリシステム1から送信された信号を受信して集中局装置5へ送信する処理のみを行う装置であるため、基本的には受信機能と送信機能のみを有し、受信機能の性能(受信可能な周波数範囲や受信感度)はプライマリシステム1が備えるものと同様のものが備えられていればよい。すなわち、従来のソフトウエア無線の端末のように、かなりの広範囲の受信周波数帯域や、遠隔のシステムからの信号の受信をカバーする機能を備える必要はない。これはコグニティブ無線システムを考える上で、ハードウェア規模の削減の観点から重要な点である。
この図で示すように、基地局装置3は、アンテナ31と、無線信号をアンテナから送信する処理を行う送信処理部32と、デジタルアナログ変換機(D/A)33と、アンテナ31を介して信号を受信する受信処理部34と、アナログデジタル変換機(A/D)35と、有線ネットワークを介してコグニティブ制御局装置2より受信した情報に基づいてアンテナ31で受信した信号からプライマリシステム1からの干渉信号を除去する干渉信号キャンセル処理部36と、干渉信号のない信号を再生する通信信号再生部37と、端末装置4との通信の制御と受信信号の復号や信号送信処理を行う制御部38とを備えている。
そして基地局装置3ではある端末装置4からの信号Sを、ある時nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)に受信する。この際にプライマリシステム1からの干渉信号Uも同時に受信することを考えると、受信信号Xbは式(1)で与えられる。
第二の実施形態による無線通信システムにおいては、コグニティブ制御局装置2が、空き時間監視部23を別途備えている。そして空き時間監視部23は、プライマリシステムが通信を行わない場合に、その空き時間を監視して、当該空き時間および周期の情報を基地局装置3に通知する処理を行う。このような処理により基地局装置3は通知を受けた空き時間を利用して、プライマリシステム1が利用している通信の周波数を利用して無線端末装置4との間で無線通信を行うことにより、プライマリシステム1の通信効率を妨げないように、無線通信を行うことができる。またプライマリシステム1が無線通信を行っている時間帯には、もともとセカンダリシステムにおいて利用していた通信の周波数を使うようにすればよい。つまりこの例においては、コグニティブ制御局装置2は、プライマリシステム1の通信スケジュールを判定し、また当該通信スケジュールに基づいて、プライマリシステム1に属する無線局装置同士の無線通信の空き時間を検出し、当該空き時間にセカンダリシステムに属する他の無線局装置との間で無線通信を行う無線通信方式の情報を、セカンダリシステムに属する基地局装置3に通知するものである。
この図で示すように、第二の実施形態における基地局装置3は通信開始/停止命令部39を備えている。この通信開始/停止命令部39は、コグニティブ制御局装置2からセカンダリシステムにおける通信開始または停止の情報を受け付ける。そして通信開始の情報を受け付けた場合には、通信開始/停止命令部39は制御部38に通信開始の命令を行う。また通信停止の情報を受け付けた場合には、通信開始/停止命令部39は制御部38に通信停止の命令を行う。または、通信開始/停止命令部39は通信停止の情報を受け付けた場合には、制御部38に通信停止の命令を行う代わりに、プライマリシステムが利用している周波数とは異なる周波数による無線通信を行うように命令するようにしてもよい。
この具体例では、プライマリシステム1として指向性の強い信号(電波信号など)を送信するレーダを考え、またレーダが使用している周波数帯が予め定められているものとする。また複数の基地局装置3がプライマリシステム1から送信される信号の到達範囲に位置しており、その基地局装置3が位置する範囲を囲むようにコグニティブ制御局装置2が配置されている。このような無線通信システムにおいて、例えばプライマリシステム1は信号を、送信方向を360度方向に一周させて送信する。この周期は数十秒程度であるものとする。従って信号の送信方向の周回する周期がゆっくりであるので、コグニティブ制御局装置2が信号を検出して、その信号に基づいて有線ネットワークを介して基地局装置3へ信号の停止を指示し、プライマリシステム1からの信号が検出されない時のみ有線ネットワークを介して基地局装置3へ通信開始の指示を行うようにすれば、各基地局装置3にコグニティブ機能がなくても、プライマリシステム1に対して無線通信の通信効率を妨げない制御を行うことができる。つまり基地局装置3が有線ネットワークに接続しているコグニティブ制御局装置2からの許可がないと無線通信ができないような仕組みとすることで、プライマリシステム1における通信効率を妨げないセカンダリシステムを構成することができる。
図6(a)では、プライマリシステム1において、送信信号と受信信号が異なる周波数で運用される場合(FDD:Frequency Division Duplex)を想定している。この場合、コグニティブ制御局装置2から集中局装置5を介して基地局装置3へ送信される無線通信(プライマリ信号で利用される無線通信)の周波数がf1である場合、基地局装置はf1のプライマリシステムからの干渉波をキャンセルできる。また、プライマリシステムはf1で信号を送信しているので、端末装置4がf1で無線信号を送信しても干渉を与えない。一方、端末装置4への干渉を受信時に回避するためには、基地局装置3からはf1と異なる周波数信号であるf2を用いればよい。すなわち、端末装置4は周波数f2で信号を受信する。つまりこの例では、コグニティブ制御局装置2は、プライマリシステム1の無線通信が、送信と受信とで異なる周波数を用いて通信を行うFDD方式であると判定した場合には、プライマリシステム1が利用する周波数と同じ周波数により端末装置4から無線通信の信号を受信するよう基地局装置3へ通知し、また、プライマリシステム1が利用する周波数とは異なる周波数により端末装置4へ無線通信の信号を送信するよう基地局装置3へ通知する例である。
2・・・コグニティブ制御局装置
3・・・基地局装置
4・・・端末装置
5・・・集中局装置
Claims (6)
- 優先的に特定周波数帯域または特定時間で無線通信を行うプライマリシステムに属する装置が行う無線通信を監視した結果の情報を用いセカンダリシステムとして他の無線通信を行う無線通信システムであって、
前記プライマリシステムに属する無線局装置から送信された信号を基準値以上の受信感度により受信できる位置に配置される一つまたは複数のコグニティブ制御局装置と、複数の基地局装置とを有し、
前記コグニティブ制御局装置が、
無線通信信号を受信する無線通信信号受信手段と、
前記受信した無線通信信号を前記基地局装置に有線回線を介して送信する情報送信手段と、を備え、
前記基地局装置が、
当該無線通信システムに属する端末装置との間で無線通信を行う無線通信手段と、
前記コグニティブ制御局装置が受信した無線通信信号を前記コグニティブ制御局装置より受信する情報受信手段と、
前記コグニティブ制御局装置より受信した信号を用いて、前記端末装置から受信した信号から干渉信号を除去する干渉信号除去手段と、
を備え、
前記干渉信号除去手段は、
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記基地局装置間のチャネル応答をh d 、前記プライマリシステム―前記基地局装置間のチャネル応答をh i とした場合の、前記基地局装置の受信信号X b (nT)を示す
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh dc 、前記プライマリシステム―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh ic とした場合の、前記コグニティブ制御局装置の受信信号X c (nT)を示す
前記送信信号Sが前記端末装置と前記基地局装置の間で既知の信号となる区間n=0,1,…,k(k<<N)における相関行列を形成し、当該相関行列の逆行列と、前記受信信号X b (nT)および前記受信信号X c (nT)をベクトルとした信号と前記既知の信号との相関ベクトルを形成し、
前記逆行列と前記相関ベクトルとの乗算により得られるウエイトを、当該基地局装置が受信した実際の通信区間の受信信号に乗算することにより干渉信号を除去する
ことを特徴とする無線通信システム。 - 前記コグニティブ制御局装置は、
前記プライマリシステムの無線通信が、送信と受信とで異なる周波数を用いて通信を行うFDD(Frequency Division Duplex)方式であると判定した場合には、前記プライマリシステムが利用する周波数と同じ周波数により前記端末装置から無線通信の信号を受信するよう前記基地局装置へ通知し、また、前記プライマリシステムが利用する周波数とは異なる周波数により前記端末装置へ無線通信の信号を送信するよう前記基地局装置へ通知する
ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記コグニティブ制御局装置は、
前記無線通信方式の情報に基づいて、前記プライマリシステムに属する無線局装置同士の無線通信が、送信と受信とで異なる周波数を用いて通信を行うTDD(Time Division Duplex)方式であると判定した場合には、前記プライマリシステムの無線通信の通信周期および通信タイミングと同じ周期およびタイミングにより前記端末装置から無線通信の信号を受信するよう前記基地局装置へ通知し、また、前記プライマリシステムの無線通信の通信周期および通信タイミングとは異なる周期およびタイミングにより前記端末装置へ無線通信の信号を送信するよう前記基地局装置へ通知する
ことを特徴とする請求項1に記載の無線通信システム。 - 前記コグニティブ制御局装置は、前記プライマリシステムに属する無線局装置のうち受信局装置と同一の無線通信の性能を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の無線通信システム。 - 優先的に特定周波数帯域または特定時間で無線通信を行うプライマリシステムに属する装置が行う無線通信を監視した結果の情報を用いセカンダリシステムとして他の無線通信を行う無線通信システムにおける無線通信方法であって、
前記無線通信システムが、前記プライマリシステムに属する無線局装置から送信された信号を基準値以上の受信感度により受信できる位置に配置される一つまたは複数のコグニティブ制御局装置と、複数の基地局装置とを有し、
前記コグニティブ制御局装置の無線通信信号受信手段が、無線通信信号を受信し、
前記コグニティブ制御局装置の情報送信手段が、前記受信した無線通信信号を前記基地局装置に有線回線を介して送信し、
前記基地局装置の無線通信手段が、当該無線通信システムに属する端末装置との間で無線通信を行い、
前記基地局装置の情報受信手段が、前記コグニティブ制御局装置が受信した無線通信信号を前記コグニティブ制御局装置より受信し、
前記基地局装置の干渉信号除去手段が、前記コグニティブ制御局装置より受信した信号を用いて、前記端末装置から受信した信号から干渉信号を除去し、
前記干渉信号除去手段は、
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記基地局装置間のチャネル応答をh d 、前記プライマリシステム―前記基地局装置間のチャネル応答をh i とした場合の、前記基地局装置の受信信号X b (nT)を示す
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh dc 、前記プライマリシステム―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh ic とした場合の、前記コグニティブ制御局装置の受信信号X c (nT)を示す
前記送信信号Sが前記端末装置と前記基地局装置の間で既知の信号となる区間n=0,1,…,k(k<<N)における相関行列を形成し、当該相関行列の逆行列と、前記受信信号X b (nT)および前記受信信号X c (nT)をベクトルとした信号と前記既知の信号との相関ベクトルを形成し、
前記逆行列と前記相関ベクトルとの乗算により得られるウエイトを、当該基地局装置が受信した実際の通信区間の受信信号に乗算することにより干渉信号を除去する
ことを特徴とする無線通信方法。 - 優先的に特定周波数帯域または特定時間で無線通信を行うプライマリシステムに属する装置が行う無線通信を監視した結果の情報を用いセカンダリシステムとして他の無線通信を行い、
前記プライマリシステムに属する無線局装置から送信された信号を基準値以上の受信感度により受信できる位置に配置される一つまたは複数のコグニティブ制御局装置と、複数の基地局装置とを有する無線通信システムにおける前記基地局装置であって、
当該無線通信システムに属する端末装置との間で無線通信を行う無線通信手段と、
前記コグニティブ制御局装置が受信した無線通信信号を前記コグニティブ制御局装置より受信する情報受信手段と、
前記コグニティブ制御局装置より受信した信号を用いて、前記端末装置から受信した信号から干渉信号を除去する干渉信号除去手段と、
を備え、
前記干渉信号除去手段は、
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記基地局装置間のチャネル応答をh d 、前記プライマリシステム―前記基地局装置間のチャネル応答をh i とした場合の、前記基地局装置の受信信号X b (nT)を示す
時刻nT(n=0,1,…,N;Nはトータルのシンボル数)における前記端末装置の送信信号をS(nT)、前記プライマリシステムの送信信号をU(nT)とし、前記端末装置―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh dc 、前記プライマリシステム―前記コグニティブ制御局装置間のチャネル応答をh ic とした場合の、前記コグニティブ制御局装置の受信信号X c (nT)を示す
前記送信信号Sが前記端末装置と前記基地局装置の間で既知の信号となる区間n=0,1,…,k(k<<N)における相関行列を形成し、当該相関行列の逆行列と、前記受信信号X b (nT)および前記受信信号X c (nT)をベクトルとした信号と前記既知の信号との相関ベクトルを形成し、
前記逆行列と前記相関ベクトルとの乗算により得られるウエイトを、当該基地局装置が受信した実際の通信区間の受信信号に乗算することにより干渉信号を除去する
ことを特徴とする基地局装置。
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