JP5260251B2 - コグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法および無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、コグニティブ無線システムにおいて利用する周波数帯を決定する技術に関し、特に、あらかじめ定められた制御チャネルを持たないアドホックコグニティブ無線ネットワークにおいて利用する周波数帯を決定する技術に関する。

近年、未使用の周波数帯を検出して利用するコグニティブ無線システムの研究・開発が進められている。使用可能な周波数帯は、プライマリーユーザーの通信や端末の移動などによって、時間的にも空間的にも随時変化する。したがって、通信に利用する適切な周波数帯を迅速に決定することが重要である。

このようなコグニティブ無線システムに関する研究は、共通の制御チャネルの存在を前提とすることが多い。

たとえば、非特許文献１では、共通スペクトラム調整チャネル（Common Spectrum Coordination Channel: CSCC）を利用する手法が提案されている。各無線ノードは、ＣＳＣＣ上で周波数使用情報（たとえば、ＩＥＥＥ ＭＡＣアドレスなどのユーザーＩＤ、使用周波数帯や送信電力など）を定期的にブロードキャストする。隣接するノードは、これらの通知を観測することにより、新たにアクティブになったユーザーは、スペクトラム・アクティビティーのマップを作成し、利用可能な周波数があればそれを選択する。

また、非特許文献２では複数のコグニティブ無線ネットワーク事業者のスペクトラム要求を調整するために、セントラル・スペクトラム・ポリシー・サーバー（ＳＰＳ）を利用している。この研究では、スペクトラムの割当はセンターが集中して行い、スペクトラムの割り当てや調整には共通の制御チャネルを利用することが想定されている。

また、非特許文献３では、各無線ノードは利用可能チャネルの類似性に基づいて局所的調整グループに自ら参加し、小さなマルチホップ・ネットワークを形成する。このグループ内では、共通の制御チャネルを利用して相互の接続を維持し、同じグループのメンバーが互いに直接通信する。ネットワークの接続性は、複数の調整チャネルに加入しているグループ境界に位置するユーザーによって維持される。これらの「ブリッジ」ノードによって、グループ間のトラフィックが中継され、また、スペクトラム利用可能性の異なる空間領域においてユーザー同士が接続される。

また、ＩＥＥＥ８０２．２２のようなベースステーション（ＢＳ）が存在するシステムでは、各端末の周波数利用状況検出結果を基にＢＳが周波数チャネルを各端末に割り当てる。ＢＳのような制御部が周波数チャネルの割当を行うので、接続確立時に送受信ノード間で利用する周波数チャネル等を交換する必要がなくなる。また、通信中に電波状況が変化して利用する周波数チャネルを切り替える場合も、ＢＳから指示が送られるので切り替えが容易である。
X. Jing, D. Raychaudhuri, "Spectrum Co-existence of IEEE 802.11b and 802.16a Networks using the CSCC Etiquette Protocol", Proceedings of IEEE DySPAN 2005, Nov. 2005 O. Ileri et al., "Demand Responsive Pricing and CompetitiveSpectrum Allocation via a Spectrum Server", Proceedings of IEEE DySPAN 2005, Nov. 2005 J. Zhao, H. Zheng and G. Yang, "Distributed Coordination in Dynamic Spectrum Allocation Networks", Proceedings of IEEE DySPAN 2005, Nov. 2005

しかしながら、アドホック無線通信のようなインフラ（アクセスポイント等）を使用しない無線通信システムでは、このような共通の制御チャネルや中央集権的な制御部を利用できない。したがって、接続確立時の利用周波数帯の通知や、通信中の利用周波数帯の切り替え等が困難となる。

そこで、本発明の目的は、あらかじめ定められた制御チャネルを用いずに、送受信ノード間で通信に適した周波数帯を選択して通信を確立するとともに、通信中にも周辺状況の変化に応じて動的に利用周波数帯を切り替えることができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、以下の手段または処理によってコグニティブ無線ネットワークにおいて利用する周波数帯の調整を行う。

本発明に係る利用周波数帯調整方法は、まず制御チャネルを確立し、この制御チャネルを介して送受信ノードが周辺の周波数利用状況を通知してデータチャネルを確立してデータ通信を実施する。また、通信確立後も動的な周辺状況の変化に対応するために、周辺の周波数利用状況を制御チャネルを介して交換し、必要に応じて制御チャネルおよびデータチャネルとして利用する周波数帯を切り替える。

このように、制御チャネルとデータチャネルを分離することで、データチャネルを決定する際に制御チャネルを介して種々の情報を送受信ノード間で交換することが可能であり、したがって、通信に適した周波数帯をデータチャネルとして決定することが可能となる。また、通信確立後も周辺の周波数利用状況を制御チャネルを介して通知し合うことで、迅速に利用する周波数帯を切り替えることが可能となる。

より詳細には、本発明に係るコグニティブ無線ネットワークにおける利用周波数帯調整方法は、
制御チャネルとして利用する周波数帯を決定する制御チャネル決定工程と、
前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知してデータチャネルとして利用する周波数帯を決定するデータチャネル決定工程と、
通信中に前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知し、利用している制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合に、制御チャネルまたはデータチャネルとして利用する周波数帯を切り替えるチャネル切替工程と
を含む。

ここで、制御チャネルとして利用する周波数帯は、データチャネルとして利用する周波数帯よりも低い周波数帯であることが好ましい。とりわけ、制御チャネルは利用可能な周波数帯のうち、最も低い周波数帯であることが好ましい。

データ通信においては高速な通信が望まれるため高周波数帯で通信することが好ましいが、制御チャネルにおいては確実かつ到達距離の長い通信が望まれる。そこで、上記のように制御チャネルを低周波数帯とすることで、このような要求を満たすことができる。また、送受信ノードが接近する状況では、まず通信距離の長い制御チャネルが確立され、デ
ータチャネルが通信可能となる前に周波数状況の情報が交換されることとなる。したがって、データチャネルの通信可能距離に入ってから迅速に通信を開始することができる。

また、本発明における制御チャネル決定工程は、次のように実行することが好ましい。まず、送受信ノードのそれぞれが、制御チャネルに適した所定の周波数範囲で利用可能な周波数帯を検出（スキャン）する。なお、この所定の周波数範囲は送受信ノードの双方で共通した範囲として設定されることが好ましいが、完全に一致していなくても良い。そして、送信ノードが、自ノードが利用可能な周波数帯を利用して接続要求を送信し、受信ノードは、接続要求を受信するとその周波数帯で確認応答を送信する。確認応答が受信できた周波数帯が通信に利用可能な周波数帯であると分かるので、送信ノードは、確認応答を受信できた周波数帯のうちのいずれか１つを制御チャネルとして選択する。

このような制御チャネル決定方法を採用することで、送受信ノード間であらかじめ定められた固定の制御チャネルが存在しなくても、互いに利用可能な周波数帯を検出して制御チャネルを確立することができる。

制御チャネル決定工程では、送受信ノードで共通して有するハッシュ関数を利用して、現在位置および現在時刻に基づいて、スキャン対象とする周波数範囲を絞り込むことが好ましい。

スキャン対象とする周波数範囲を絞り込むことで、迅速にスキャンを完了でき、したがって、接続の確立を迅速に行える。また、位置情報および時刻情報に基づいてスキャン対象の周波数範囲を決定するため、通信を行うノード同士（同じ時刻に同じ場所に位置する）は同じ周波数範囲をスキャンすることになる。一方、異なる位置にいるノードは異なる周波数範囲をスキャンすることになる。また、同じ位置に存在しても時間が異なれば違う周波数範囲をスキャンすることになる。したがって、通信を行うノード同士は共通の周波数範囲をスキャンする一方、通信を行わないノード同士は異なる周波数範囲をスキャンすることになり、効率的な周波数の利用が可能となる。

また、本発明におけるデータチャネル決定工程は、次のように実行することが好ましい。まず、送受信ノードのそれぞれが、データ通信の要求に適した周波数範囲で利用可能な周波数帯を検出する。このように、データ通信の通信速度や通信の安定度などの要求から、それを満足するための周波数範囲が絞り込まれる。なお、送受信ノードで互いの要求に適した周波数範囲が異なる場合には、制御チャネルを介して通知しても良い。送受信ノードは、制御チャネルを介して各周波数帯の利用状況を通知し合う。送信ノードは、送受信ノードの両方で利用可能な周波数帯を利用してプローブパケットを送信し、受信ノードは、プローブパケットを受信した周波数帯において確認応答を送信する。確認応答が受信できた周波数帯が通信に利用可能な周波数帯であると分かるので、送信ノードは、確認応答を受信できた周波数帯の一部または全部をデータチャネルとして選択する。

このように、データ通信の要求に適した周波数範囲内で、データチャネルを選択することができるので、より確実な通信を実現できる。また、送受信ノードのそれぞれが利用可能な（他のユーザーが使用していない）周波数帯であっても、電波が到達しない可能性があるため、プローブパケットを送信することで確実に通信できる周波数帯を選択することができる。

また、データチャネル決定工程では、さらに、送信ノードが、自ノードおよび受信ノードの位置情報を取得し、送受信ノード間の距離に基づいてプローブパケットを送信する周波数帯を、プローブパケットが確実に届く周波数帯に絞り込むことが好ましい。

このように送受信ノード間の距離に基づいて、電波が到達しないことが予測される周波数帯ではプローブパケットを送信しないことで、データチャネル決定処理を効率化することができる。

また、本発明におけるチャネル切替工程は、次のように実行することが好ましい。まず、送受信ノードのそれぞれが、制御チャネルおよびデータチャネルに適した周波数範囲で利用可能な周波数帯を検出する。そして、送受信ノードは、制御チャネルを介して各周波数帯の利用状況を通知し合う。送信ノードが、送受信ノードの両方で利用可能な周波数帯を利用してプローブパケットを送信し、受信ノードは、プローブパケットを受信した周波数帯において確認応答を送信する。これらの結果から、送信ノードが確認応答を受信できた周波数帯のうちから制御チャネルおよびデータチャネルの切り替え先の周波数帯を決定する。

このように通信開始後も定期的に周辺の周波数状況をスキャンして送受信ノード間で情報を共有することで、チャネルを切り替える場合の切り替え先周波数帯を事前に決定することができ、実際にチャネルを切り替える際には迅速な切替が可能となる。

なお、チャネルの切替においては、通信品質が劣化したり他のノードが同じ周波数帯で通信を開始したことが検知された場合や予測される場合にチャネルを切り替えるが、制御チャネルが通信不可能になることは好ましくないので、制御チャネルはより早い段階で切り替えることが好ましい。

また、チャネル切替工程では、送信ノードが、確認応答を受信できた周波数帯を制御チャネルを介して受信ノードに通知して、この情報を送受信ノード間で共有する。そして、送受信ノードのそれぞれが、共通のポリシーにしたがって確認応答が受信できた周波数帯にうちから制御チャネルおよびデータチャネルの切り替え先の周波数帯を決定しても良い。

このように送受信ノード間で周波数利用状況を交換することで、互いの利用可能周波数を常に把握することができる。したがって、チャネルの周波数を切り替える際に、互いに迅速に切り替え先の周波数を把握することができる。なお、チャネルを切り替える必要が生じた際に、一方のノードから相手ノードに対して、切り替え先の周波数帯を伴ったチャネル切替指示を送信することも好ましい。

また、チャネル切替工程では、通信品質の劣化により制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合には、より低い周波数帯を切り替え先の周波数帯として決定することが好ましい。一方、送受信ノード以外のノードが通信を開始することにより制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合には、通信品質に適した周波数帯を切り替え先の周波数帯として決定することが好ましい。

通信品質が劣化した場合、送受信ノード間の距離が離れたことが予想されるため、より到達距離の長い低い周波数帯に切り替えることが好ましい。一方、他のノードが利用を開始する場合には、そのような制限はないため、互いに利用可能な周波数帯の中から要求に適した周波数帯を選択すればよい。

なお、本発明は、上記処理の少なくとも一部を有するコグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法、またはこの方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。また、本発明は、上記処理を実行して利用周波数帯を調整する無線通信装置として捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本
発明を構成することができる。

本発明によれば、あらかじめ定められた制御チャネルを用いずに、送受信ノード間で通信に適した周波数帯を選択して通信を確立するとともに、通信中にも周辺状況の変化に応じて動的に利用周波数帯を切り替えることが可能となる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

本実施形態にかかるコグニティブ無線通信システムは、複数の無線通信装置から構成される。無線通信装置は車両に搭載されており、車車間通信無線ネットワークを構成する。これらの端末間での通信は周囲の電波状況を検出して利用する周波数帯（周波数チャネル）を動的に切り替えつつ行われる。本無線通信システムは、無線通信装置がアクセスポイント等のインフラの介在無しに相互に接続するアドホックネットワークである。したがって、通信に利用する周波数帯を割り当てる制御装置は存在しない。

〈構成概要〉
図１は、本実施形態にかかるコグニティブ無線通信システムを構成する、無線通信装置の機能構成を示す概略図である。無線通信装置１は、アンテナ２、高周波部３、ＡＤ変換部４、デジタル信号処理部５およびＧＰＳ装置６を備える。高周波部３は、無線信号を受信してデジタル信号処理が行いやすい周波数帯に変換したり、送信信号を実際に送信する周波数に変換する。ＡＤ変換部４は、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換し、送信するデジタル信号をアナログ信号に変換する。なお、無線通信装置１は、アンテナ２から受信した広帯域の信号（例えば、９００ＭＨｚ〜５ＧＨｚ）を、一括してＡＤ変換して、チャネル選択などを含めて復調処理等はデジタル信号処理部５で実現する。

デジタル信号処理部５は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ダイナミック・リコンフィギュラブルプロセッサなどによっ
て構成することができる。デジタル信号処理部５は、その機能部として、通信制御部５１、電波状況検出部５２および周波数リスト５４を含む。デジタル信号処理部５は、その他にも変復調等のための機能部を要するが、これらは公知であるため詳しい説明は省略する。

通信制御部５１は、接続確立処理や、データの送受信処理、チャネルの使用状況を通信相手に通知する処理、利用するチャネルを選択する処理などを行う。

電波状況検出部５２は、自ノード周囲における電波状況を検出し、各周波数帯が使用中であるか未使用であるか（言い換えると、自ノードが利用可能であるか否か）を判断する。具体的なセンシング技術は既知の種々の手法を採用することができる。電波状況検出部５２は、検出する無線通信方式に応じて、エネルギー検出、ウェーブレット分解技法、パイロットベースのスペクトラムセンシング、固有値に基づくスペクトラムセンシング、特徴（feature）検出、マッチドフィルター（matched filter）方法などによって、周波数
帯が使用中であるか未使用であるかを判別する。なお、電波状況検出部５２は、ハッシュ関数５３を備えており、ＧＰＳ装置６から得られる位置情報および時刻情報に基づいて、電波状況の検出範囲を絞り込むことができる。本コグニティブ無線システム内の全ての無線通信装置は同一のハッシュ関数５３を利用するので、ハッシュ関数５３によって検出範囲を絞り込む場合は、同時刻に近い場所に位置する車両同士は同じ周波数範囲をスキャンすることになる。

周波数リスト５４には、自ノードおよび通信相手ノードについての、各周波数の使用状況が格納される。周波数リスト５４には、各ノードが装備している（ハードウェアとして対応可能な）周波数帯のそれぞれについて、他のノードが利用しているため利用不可能、他ノードが利用していないがプローブに対する応答がない（通信不可）、他ノードが利用しておらずプローブに対する応答がある（通信可能）、という３つの状態に分けて管理する。

〈処理概要〉
以下、本実施形態に係る利用周波数帯調整方法の概要について説明する。本手法の特徴の一つは、制御チャネルとデータチャネルを分離した点にある。制御チャネルには、到達距離の長い低周波数帯を利用する。データチャネルには、伝送速度の速い高周波数帯を利用する。これにより、送受信ノードは制御チャネルを用いてお互いの状況を把握できるため、アプリケーション要求を満足するデータチャネルを決定できる。

また、制御チャネルおよびデータチャネルを決定した後に、周波数利用状況が変化する可能性もある。そこで、制御チャネルを用いて定期的に情報交換を行い、その結果に基づいて制御チャネルおよびデータチャネルを切り替える。このように定期的に情報交換を行っているので、チャネルを切り替える際に迅速な切替が可能となる。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る利用周波数帯調整方法の概要を説明する。まず、各ノードが周波数リスト５４の作成を行う（ステップＳ１）。ここでは、各ノードが装備している（ハードウェアとして対応可能な）周波数をリストアップする。ここで作成した周波数リスト５４は以降、周辺状況の変化に応じて随時更新される。

通信を開始する際には、まず制御チャネルの決定を行う（ステップＳ２）。周波数状況のスキャンおよび送受信ノード間での調整を行って制御チャネルが決定されるが、その詳細については後で説明する。なお、ここでは制御チャネルとなりうる周波数帯から最も到達距離の長い周波数（最も低い周波数）を制御チャネルとして決定することで、早めに送受信間で通信を確立可能とする。制御チャネル決定後は、この制御チャネルを用いて周波数の利用状況を定期的に交換する。

次に、送受信ノード間で交換する周波数リストを元に、利用可能、かつ、アプリケーション要求を満たす周波数をデータチャネルとして決定する（ステップＳ３）。

制御チャネルおよびデータチャネルの決定後も周辺の電波状況が変化するため、定期的な周波数リストを交換して、動的なチャネル切替を行う（ステップＳ４）。

〈処理詳細〉
以下では、本実施形態に係る利用周波数帯の調整方法の詳細について説明する。

［周波数リストの作成］
まず、それぞれ移動している端末が１対１で新たに通信を開始する際に必要となる、利用可能な周波数のリストアップ（図２のステップＳ１）を説明する。図３に示すように、送受信ノードはそれぞれ、自身の機器で利用可能な周波数（以下、「端末の装備周波数帯」または単に「装備周波数帯」と呼ぶ）を、周波数リスト５４にリストアップする。周波数リスト５４における「状態」の欄は、周辺状況や送受信ノード間での通信状況を元に今後更新するための部分である。

［制御チャネル決定処理］
制御チャネル決定処理（図２のステップＳ２）の詳細な処理について、図４〜７を参照
して説明する。なお、以下の処理は通信制御部５１が電波状況検出部５２等を制御して行うものであり、通信制御部５１が本発明における制御チャネル決定手段に相当する。

まず、送受信ノードのそれぞれが、電波状況検出部５２によって自ノード周辺の電波状況をスキャンする（図４のステップＳ２１，Ｓ２２）。各ノードは広範囲の周波数に対応可能であるため、全ての周波数帯をスキャンすると、迅速なチャネル決定が困難となる。そこで、図５Ａに示すように、以下の２つの指標を用いて広大な周波数帯の範囲をある程度の大きさまでに絞り込む。１つ目の指標は無線端末自身が装備している周波数帯であり、２つ目の指標は制御チャネルに適した周波数帯である。なお、制御チャネルに適した周波数帯はアプリケーションに依存せず一定であり、各無線端末にあらかじめ設定しておくことが可能である。図５Ａは、これら２つの指標を用いてある程度まで絞り込まれた周波数帯を示している。

しかし、これら２つの指標を用いて範囲を狭めても、複数の端末が同じ周波数帯を集中して使用すると衝突が発生してしまう可能性がある。そのため、さらに周波数帯の範囲を狭めて通信相手以外の端末と周波数帯と重ならないようにすることが好ましい。

そこで、ＧＰＳ装置６から得られる位置情報と時刻情報をハッシュ関数５３に与えて、得られるハッシュ値に基づいてスキャン範囲をさらに絞り込む（図５Ｂ）。具体的な処理は図６に示すように、まずＧＰＳ装置６から位置情報および時刻情報を取得し（ステップＳ２０１）、これらをキーとしてハッシュ関数からハッシュ値を取得する（ステップＳ２０２）。そしてこのハッシュ値に対応する周波数範囲を算出する（ステップＳ２０３）。ハッシュ値と周波数範囲の対応付けはどのように行っても良い。最も簡単な実装は、Ｈを得られたハッシュ値、Δｆをあらかじめ定められた周波数幅として、Ｈ〜Ｈ＋Δｆを周波数範囲とする方法である。そして、算出した周波数範囲内で未使用周波数帯を検出する（ステップＳ２０４）。

このようにスキャン範囲をさらに絞り込むことにより周波数帯検出処理をさらに迅速にすることができる。また、位置情報と時刻情報をハッシュ関数に与えているので、同じ時刻に近くにいる端末同士は同じ周波数範囲をスキャンすることになり、共通に利用可能な周波数帯を見つけることができる。また、異なる場所または異なる時間では異なる周波数帯を検出対象とするため、周波数の効率的な利用が可能となる。

ここでは、ハッシュ関数を一つのみ利用する例を説明したが、異なる種類の複数のハッシュ関数を利用し、それらから得られる複数の周波数範囲をスキャン範囲とすることで、周波数利用率が高い場合にも確実かつ迅速に利用可能な周波数帯を検出することができる。

自ノード周辺の電波状況のスキャンが完了すると、図７に示すように、送信ノードは利用可能な周波数帯のそれぞれで接続要求を送信する（図４のステップＳ２３）。一方、受信ノードは利用可能な周波数帯のそれぞれで自ノード宛の通信を受信し（ステップＳ２４）、接続要求を受信した周波数帯のそれぞれでＡＣＫ（確認応答）を送信する（ステップＳ２５）。なおここではオーバヘッドを抑えるために、ＡＣＫパケットにはデータを付加しないものとする。

以上の処理の結果、送信ノード側でＡＣＫを受信できた周波数帯は、送受信ノード間の通信に実際に利用できることが判明する。そこで、送信ノードはＡＣＫを受信できた周波数帯のうち、最も低い周波数帯を制御チャネルに利用する周波数帯として決定する（ステップＳ２６）。そして、送受信ノード間で、決定された周波数帯を制御チャネルとして利用した通信を開始する（ステップＳ２７）。

このように制御チャネルとして低い周波数帯を利用するため、離れた位置でも送受信ノード間で通信を確立することができる。したがって、データチャネルをより高い周波数で行う場合には、あらかじめ制御チャネルを確立することが可能となる。つまり、データチャネルでの通信が可能となる前から、送受信ノードかで利用周波数帯の調整が可能となる。

［データチャネル決定処理］
次に、データチャネル決定処理（図２のステップＳ３）の詳細な処理について、図８〜１０を参照して説明する。なお、以下の処理は通信制御部５１が電波状況検出部５２等を制御して行うものであり、通信制御部５１が本発明におけるデータチャネル決定手段に相当する。

制御チャネルが決定すると、そのチャネルを用いて周波数情報の交換を行う（ステップＳ３１）。ここで交換する周波数情報には、端末の装備周波数、プライマリーユーザーや他のユーザーの通信により利用できない周波数、要求品質に適した周波数帯のリストが含まれる。なお、周波数情報は、受信ノードか送信ノードへ通知すれば十分であり、必ずしも送受信ノード間で情報を共有しなくても構わない。また、一時的に利用できない周波数についても、このタイミングでは必ずしも送信しなくても構わない。

周波数情報の交換が完了すると、データチャネルを決定するために周波数帯の範囲を狭めて調整を行う。広い周波数帯の中から実際に調整を行う範囲を、装備周波数と、アプリケーションの要求品質に適した周波数帯、の２つの指標によって絞り込む。このうち、「アプリケーションの要求品質に適した周波数帯」は、通信を行うアプリケーションによって異なる場合がある。このような指標により、データチャネル決定のために行うスキャン範囲は、図９のように定められる。送受信ノードは、それぞれ、この範囲内で自ノードが利用可能な周波数帯の検出を行う（ステップＳ３２，Ｓ３３）。なお、データチャネル決定時には、ハッシュ関数によりスキャン範囲の絞り込みは行わない。

次に、送信ノードは、図１０に示すように、スキャン範囲のうち自ノードが利用可能な周波数帯を利用してプローブパケットを送信する（ステップＳ３４）。なお、ここで、自ノードが利用可能な周波数帯の全てを利用してプローブパケットを送信しても構わないが、周波数が高くなるほど到達距離は短くなるためプローブパケットは届きにくくなる。そこで、送受信ノードはＧＰＳ装置６から自ノードの位置情報を取得し、制御チャネルを利用して相手ノードに自ノードの位置情報を通知する。そして、送信ノードは、送受信間の距離を求め各周波数の到達距離と比較して、確実にプローブパケットが届く範囲の周波数のみにプローブパケットを送信する。これにより、データチャネルの決定処理の効率化する。

一方、受信ノードは、スキャンの結果自ノードが利用可能な周波数帯で自ノード宛のパケットを受信し（ステップＳ３５）、プローブパケットを受信した周波数帯のそれぞれでＡＣＫを送信する（ステップＳ３６）。

以上の処理の結果、送信ノード側でＡＣＫを受信できた周波数帯が、送受信ノード間の通信に実際に利用できることが判明する。プローブパケットの受信状況から、周波数リスト５４の「状態」の項目を更新していく。ここでは、図１１に示すように各周波数の利用状況を「１」「０」「−１」の３つに分類する。３つの状態をそれぞれ以下の意味を表す。
１：プローブパケットに対するＡＣＫを受信できる＝いつでも通信に利用可能
０：ＡＣＫが返ってこない＝データ通信可能な範囲ではない、もしくは受信側の周辺で
プライマリーユーザーや他のユーザーが使用している（今後使えるようになる可能性がある）
−１：送信側の周辺でプライマリーユーザーや他のユーザーが使用している＝データ通信には利用できない

送信ノードはＡＣＫを受信できた周波数帯からデータチャネルに利用する周波数帯として決定する。（ステップＳ３７）。

なお、一般には、データ通信に利用可能な周波数が複数存在することが考えられる。このような場合は、要求品質と周辺状況に応じてデータチャネル数を決定する。たとえば、他の端末が周囲に存在しない場合は、利用可能な全ての周波数帯をデータチャネルに使用する。また、複数の端末が周囲に存在する場合には、利用可能は周波数帯のうちの一部の周波数帯をデータチャネルとして利用する。このとき、実際にはスペクトラム共有を意識したデータチャネル数の決定が必要となるが、本実施形態においては単純に１つの周波数帯のみをデータチャネルとして利用する。

図１１の例では、通信に利用可能な周波数ｆ５とｆ６の両方をデータチャネルとして決定している。周波数ｆ４は状態が「−１」となっているため使用していない。

［動的なチャネル切替処理］
以上の処理により、通信確立時の制御チャネルとデータチャネルが決定するが、端末の移動に伴い、送受信ノードそれぞれの周辺状況は頻繁に変化する。したがって、送受信ノード間で通信を行っている最中も、周辺状況に応じて一度決定した制御チャネル・データチャネルを動的に切り替える必要がある。

以下、動的なチャネル切替処理（図２のステップＳ４）について、図１２，１３を参照して説明する。なお、以下の処理は通信制御部５１が電波状況検出部５２等を制御して行うものであり、通信制御部５１が本発明におけるチャネル切替手段に相当する。

制御チャネル・データチャネル決定後も、送受信ノードはそれぞれ自ノード周辺の電波状況の検出を定期的に実行する（ステップＳ４１，４２）。なお、この時のスキャン範囲は、制御チャネル用の周波数帯と、データチャネル用の周波数帯のそれぞれを含む。各チャネル用のスキャン範囲の決定方法は、接続確立時処理の説明の中で説明したのでここでは省略する。

スキャン結果に基づいて、送信ノードは自ノードが利用可能な周波数帯でプローブパケットを送信し（ステップＳ４３）、受信ノードはプローブパケットを受信した周波数帯でＡＣＫを返信する（ステップＳ４４，４５）。なお、プローブパケットを送信する際には、受信ノードが利用不可能であると判明している周波数帯（周波数リストの状態が「−１」の周波数帯）ではプローブパケットを送信しないことで、処理の効率化が図れる。一方、受信ノードが利用可能である周波数帯であれば、状態が「１」であっても「０」であってもプローブパケットを送信する。

そして、送信ノードはプローブパケットに対するＡＣＫの受信状況から、周波数リスト５４を更新し（ステップＳ４６）、制御チャネルを利用して、更新した周波数リスト５４を受信ノードへ通知する（ステップＳ４７）。

次に、周波数状況が変化して、制御チャネルまたはデータチャネルを切り替える必要があるか判断する（ステップＳ４８）。周波数状況が変化していない場合（Ｓ４８−ＮＯ）は、電波状況のスキャン処理に戻る。周波数状況が変化して制御チャネルやデータチャネ
ルを切り替える必要がある場合（Ｓ４８−ＹＥＳ）には、新たな周波数帯を利用した通信を行う（ステップＳ４９）。

なお、迅速にチャネルを切り替えることができるように、定期的にその時点での通信状況に基づいて、切り替え先の周波数をあらかじめ決定しておく。たとえば、ステップＳ４９の周波数リストを受信ノードに通知する際に、切り替え先の周波数帯の候補を受信ノードに明示的に示しても良い。また、周波数リストに基づいて、送受信ノード間で共通したポリシーに基づいて切り替え先の周波数帯を決定しても良い（なおこの場合も、周波数リストが受信ノードに通知された時点で、切り替え先の周波数があらかじめ決定されたとみなすことができる）。

切り替え先の周波数は、このように定期的に交換する周波数リスト５４の情報をもとに、送受信ノード間で最も適したチャネルへ切り替える。ここで、制御チャネルを送受信間での情報の共有を行い、データチャネルの管理も行うため、制御チャネルの切断は極力避ける必要がある。そのため、通信が切れる前に品質の劣化を検知して利用する周波数を切り替えることが好ましい。また、事前に切り替え先の周波数を複数決定しておき、チャネル切替を確実に行うことも好ましい。データチャネルの場合も、制御チャネルと同様の手法によって適切なチャネルへ切り替えるが、チャネル変更の通知は制御チャネルを用いて行う。

次に、具体的な周波数の切替方針について説明する。まず、プライマリーユーザーや他の通信を検知した場合は、通信品質が劣化したわけではないので、周波数の高い・低いに関係なく、通信品質に適した方へ切り替えればよい（図１３Ａ）。一方、通信品質が劣化した場合は、使用しているチャネルの到達距離が送受信間の距離より短くなったと考えられるため、到達距離のより長い、より低い周波数へ切り替える（図１３Ｂ）。

なお、通信品質の劣化は、フレーム再送回数情報などから検知できる。また、通信品質の劣化の検知は、ＧＰＳ装置から取得した位置情報を元に送受信ノード間の距離を求め、各周波数の到達距離と比較することで、到達距離を超える移動を検知し、チャネル切替のタイミングを事前に予測することも可能である。

〈本実施形態の作用・効果〉
本実施形態におけるコグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法によれば、広範囲な周波数帯から近隣に位置する送受信ノードの両方が制御チャネルとして利用可能な周波数帯を迅速に決定することができる。位置情報および時刻情報をキーとするハッシュ値により、スキャン範囲を絞り込むことで、さらに迅速な決定が可能となる。そして、確立した制御チャネルを利用して、アプリケーション要求を満たす周波数を迅速に決定することができる。そして、動的な周波数利用状況の変動を迅速に検知した上で、確実に送受信間で情報交換し、制御チャネルおよびデータチャネルとして利用する周波数を変更することも可能となる。

（変形例）
なお、上記実施形態は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。

たとえば、各ノードが利用可能な周波数を検出した後の、実際に制御チャネルを決定する処理は、上述した説明以外の方法によって行っても構わない。たとえば、送信ノードは、自ノードが利用可能な周波数の一部（１つでも良い）を利用して、接続要求を送信することとしこの接続要求に自ノードが利用可能な周波数の情報を含めても良い。これにより、受信ノードが接続要求を１つでも受信できれば、送信ノード側で利用可能な周波数を判
断可能である。また、受信ノードも接続要求を受信した周波数の一部（１つでも良い）を利用してＡＣＫを送信することとし、このＡＣＫに自ノードが利用可能な周波数の情報を含めても良い。これにより、送信ノードがＡＣＫを１つでも受信できれば、受信ノードが利用可能な周波数を判断可能である。

また、制御チャネル決定処理において、スキャンする周波数範囲をハッシュ関数によって絞り込んでいるが、この絞り込みは必須ではない。スキャン処理を迅速に行える場合は、この絞り込み処理を省略して、制御チャネルに適した周波数範囲全てで周波数状況のスキャンを行って良い。

また、データチャネル決定処理の際に、送信ノードからプローブパケットを送信してＡＣＫが返ってきた周波数帯をデータチャネルとして決定しているが、この処理も省略して良い。送受信ノードのそれぞれでのスキャンの結果、両ノードが利用可能であると判断された場合は、その周波数帯を利用して通信をできる可能性が高い。したがって、プローブパケットによる確認を行わずに、そのような周波数帯をデータチャネルとして決定しても構わない。特にＧＰＳ情報により送受信間の距離が分かる場合には、プローブパケットによる確認は省略しても良い。これは、データチャネル確立時だけでなく、切り替え先候補の決定処理の際にも同様のことがいえる。ただし、プローブパケットを利用した方が実際に利用可能であるか否かが確実に判別できるため、より確実な周波数調整が実行できる。

本実施形態に係るコグニティブ無線システムにおける無線通信装置の機能ブロックを示す図である。 本実施形態における利用周波数帯調整方法の概要を説明する図である。 周波数リストを説明する図である。 制御チャネル確立時の処理の流れを示す図である。 制御チャネル確立時の電波状況のスキャンを行う範囲を説明する図である。 制御チャネル確立時において未使用周波数帯を検出する処理の流れを説明するフローチャートである。 制御チャネル確立時における、制御チャネルの候補となる未使用周波数を説明する図である。 データチャネル確立時の処理の流れを示す図である。 データチャネル確立時の電波状況のスキャンを行う範囲を説明する図である。 データチャネル確立時のプローブパケットの送信を説明する図である。 周波数リストを説明する図である。 通信中に行う動的なチャネル切替のための処理を示す図である。 動的なチャネル切替の際の、切替方針を説明する図である。

符号の説明

１ 無線通信装置
５ デジタル信号処理部
６ ＧＰＳ装置
５１ 通信制御部
５２ 電波状況検出部
５３ ハッシュ関数
５４ 周波数リスト

Claims (7)

1. コグニティブ無線システムを構成するノードであって、共通するハッシュ関数を有する送受信ノードが自律的に行う利用周波数帯調整方法であって、
   送受信ノードのそれぞれが、自ノードの位置情報および時刻情報を取得し、前記位置情報および時刻情報と前記ハッシュ関数を利用して、制御チャネルに適した所定の周波数範囲を絞り込み、当該絞り込んだ周波数帯から利用可能な周波数帯を検出する工程と、
   送信ノードが、前記検出した、利用可能な周波数帯を利用して、接続要求を送信する工程と
   受信ノードが、接続要求を受信した周波数帯において確認応答を送信する工程と、
   送信ノードが、確認応答を受信できた周波数帯のうちのいずれか１つを制御チャネルとして選択する工程と、を含む
   ことを特徴とする、コグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法。
2. 制御チャネルとして利用する周波数帯を決定する制御チャネル決定工程と、
   前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知してデータチャネルとして利用する周波数帯を決定するデータチャネル決定工程と、
   通信中に前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知し、利用している制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合に、制御チャネルまたはデータチャネルとして利用する周波数帯を切り替えるチャネル切替工程と、
   を含み、
   前記データチャネル決定工程は、
   送信ノードが、自ノードおよび受信ノードの位置情報を取得する工程と、
   送受信ノードのそれぞれが、データ通信の要求に適した周波数範囲で利用可能な周波数
   帯を検出する工程と、
   送受信ノード間で、制御チャネルを介して各周波数帯の利用状況を通知し合う工程と、
   送信ノードが、送受信ノードの両方で利用可能な周波数帯を、送受信ノード間の距離に基づいて絞り込み、当該絞り込んだ周波数帯を利用して、プローブパケットを送信する工程と、
   受信ノードが、プローブパケットを受信した周波数帯において確認応答を送信する工程と、
   送信ノードが、確認応答を受信できた周波数帯の一部または全部をデータチャネルとして選択する工程と、を含む
   ことを特徴とする、コグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法。
3. 前記チャネル切替工程は、
   送受信ノードのそれぞれが、制御チャネルおよびデータチャネルに適した周波数範囲で利用可能な周波数帯を検出する工程と、
   送受信ノード間で、制御チャネルを介して各周波数帯の利用状況を通知し合う工程と、
   送信ノードが、送受信ノードの両方で利用可能な周波数帯を利用して、プローブパケットを送信する工程と、
   受信ノードが、プローブパケットを受信した周波数帯において確認応答を送信する工程と、
   を含み、
   送信ノードが確認応答を受信できた周波数帯のうちから制御チャネルおよびデータチャネルの切り替え先の周波数帯を決定する
   ことを特徴とする、請求項２に記載のコグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法。
4. 前記チャネル切替工程は、さらに、
   送信ノードが、確認応答を受信できた周波数帯を、制御チャネルを介して受信ノードに通知する工程を含み、
   送受信ノードのそれぞれが、共通のポリシーにしたがって確認応答が受信できた周波数帯のうちから制御チャネルおよびデータチャネルの切り替え先の周波数帯を決定する
   ことを特徴とする、請求項３に記載のコグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法。
5. 前記チャネル切替工程では、
   通信品質の劣化により制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合には、より低い周波数帯を切り替え先の周波数帯として決定し、
   送受信ノード以外のノードが通信を開始することにより制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合には、通信品質に適した周波数帯を切り替え先の周波数帯として決定する
   ことを特徴とする、請求項３または４に記載のコグニティブ無線システムにおける利用周波数帯調整方法。
6. コグニティブ無線システムにおいて、制御チャネルを自律的に選択する無線通信装置であって、
   ハッシュ関数を記憶するハッシュ関数記憶手段と、
   自装置の位置情報および時刻情報を取得し、前記位置情報および時刻情報と、前記記憶されたハッシュ関数を利用して、制御チャネルに適した所定の周波数範囲を絞り込み、当該絞り込んだ周波数帯から利用可能な周波数帯を検出する手段と、
   前記検出した、利用可能な周波数帯を利用して、接続要求を送信する手段と、
   相手ノードから接続要求を受信した場合に、前記接続要求を受信した周波数帯において確認応答を送信する手段と、
   相手ノードから確認応答を受信した場合に、前記確認応答を受信できた周波数帯のうちのいずれか１つを制御チャネルとして選択する手段と、
   を有する
   ことを特徴とする、無線通信装置。
7. コグニティブ無線シスステムにおける無線通信装置であって、
   制御チャネルとして利用する周波数帯を決定する制御チャネル決定手段と、
   前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知してデータチャネルとして利用する周波数帯を決定するデータチャネル決定手段と、
   通信中に前記制御チャネルを介して送受信ノード周辺での周波数利用状況を通知し、利用している制御チャネルまたはデータチャネルが利用できなくなった場合または利用できなくなると予測される場合に、制御チャネルまたはデータチャネルとして利用する周波数帯を切り替えるチャネル切替手段と、を有し、
   前記データチャネル決定手段は、
   自ノードおよび相手ノードの位置情報を取得する手段と、
   データ通信の要求に適した周波数範囲で利用可能な周波数帯を検出する手段と、
   制御チャネルを介して各周波数帯の利用状況を相手ノードに通知する手段と、
   自ノードおよび相手ノードの両方で利用可能な周波数帯を、両ノード間の距離に基づいて絞り込み、当該絞り込んだ周波数帯を利用して、プローブパケットを送信する手段と、
   相手ノードからプローブパケットを受信した場合に、前記プローブパケットを受信した周波数帯において確認応答を送信する手段と、
   相手ノードから確認応答を受信した場合に、前記確認応答を受信できた周波数帯の一部または全部をデータチャネルとして選択する手段と、からなる
   ことを特徴とする、無線通信装置。

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