JP5337873B2 - スペクトラムセンシングに関する方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は無線通信の分野に関係するものであり、特に、スペクトラム利用を協同スペクトラムセンシング（cooperative spectrum sensing）に基づいて行うという無線通信分野の部分に関するものである。

最近の研究によって無線スペクトラムの使用は、多くの場合、かなり効率的でないということが示されている。この点に関する一つの鍵となる要因は、現在のスペクトラム許認可システムである。即ち、ある部分の無線スペクトラムは、無線通信システム事業者等の団体にその使用が認可されており、この団体には、無線スペクトラムのこの部分を使用する排他的な権利が与えられている。例えば、たとえ、有用なスペクトラムのかなりの部分が許認可されているとしても、いくつかの測定（例えば、非特許文献１を参照）よれば、このスペクトラムのある部分は、相当程度まだ利用されていないことが示されている。従って、無線スペクトラムをより柔軟に使用することが重要な研究課題になってきている。この研究課題の目的は、利用可能な無線スペクトラムの使用を最適化、即ち、最大にすることである。規制に関して研究されている１つのアプローチは、スペクトラムを実施権者（プライマリユーザ）に対して認可を与える一方で、同時に、認可された周波数帯域を、プライマリユーザのシステム運用に対して有害な干渉をもちこまないという条件の下で、他のユーザ（セカンダリユーザ）に対しても使用を許可するというアプローチであった。議論されている別のアプローチは、完全に許許可の必要ないスペクトラムを設定して、多くのユーザの間で、等しい権利をもって共有されるべきであるというアプローチである。

より柔軟でかつ効率のよい無線スペクトラムの使用を導入しようとする努力の中で、新しい概念および用語が開発されてきた。

１つの新しい用語は“ダイナミック・スペクトラム・アクセス”であり、これは、無線ユニットをある特定のスペクトラム帯域（それらに認可されたスペクトラム等）だけに限定するのではなく、むしろ、推定されるスループットや遅延の要件、スペクトラムの利用可能性等の条件に依存して、それらが使用するスペクトラムを適応的に決めるという場合のスペクトラムアクセスを表す。例えば、許認可された自分自身のスペクトラムが高負荷を被っているセルラシステムは、誰か他の実施権者が所有するスペクトラム帯域に動的にアクセスして、自分のスループットを一時的に増加させることができるであろう。ただしこれは、プライマリシステムに対して許容不可能なほどの干渉を引き起こすことがない限り、または、通信しているノードのネットワークが現在のスペクトラムの条件に依存して自分の動作周波数を変更することができる場合に限ってである。ダイナミックスペクトラムアクセスによって、無線スペクトラムという有限の資源をより効率よく使用することができる可能性がある。なぜならば、ダイナミックスペクトラムアクセスによって、いくつかのシステムが同一の資源を共有し、１つのシステムが少量のスペクトラムだけを必要とするときには、より高い負荷を経験している他のシステムはより広い帯域幅を利用できるからである。

別の重要な概念は、スペクトラム−オン−デマンドである。これは、無線ノードがスペクトラム帯域において、認可されていないユーザ（またはセカンダリユーザ）として動作するようトリガされたときには、認可されていないユーザとしてだけ動作するということを意味する。無線ノードが認可されていない周波数帯域において通信を開始する１つの理由は、認可された周波数帯域（もしあれば）では、所望の要求を満足させることができないないということであってもよいであろう。このようなイベントは、例えば、中央局における最繁忙時間帯の間に、またはコンサートまたはスポーツイベント等の特別なイベントの間に、または同一セルの中の何人かのユーザがそれぞれ広い帯域幅を要求したような場合に生じるかもしれない。

スペクトラム−オン−デマンドのシナリオは、ネットワーク構造に依存して通常は若干異なって見える。そのネットワークは、集中型であるかもしれないし、分散型（自律的）であるかもしれない。

集中型ネットワークは、主要（または中央）ノードを有する。この主要ノードは、ネットワークを制御する機能を有する。集中型ネットワークの例は、今日移動通信に使用されている一般的なセルラネットワークであり、この中で主要ノード（通常、基地局（ＢＳ））は、セルの中の他のノード（ユーザ機器ＵＥ）との全ての通信を取り扱う。集中型ネットワークの別の例は、アドホックネットワークであり、アドホックネットワークの中では、マスタノード（ネットワークの中の任意のノードに与えて任意のノードにハンドオーバすることができる機能である）は、他のノードを規制する機能を有する。

分散型ネットワークにおいては、すべてのノードが本質的に同等であり（即ち、他のノードの動作を制御することができるノードがない）、自律的に動作し通信する。スペクトラムの使用は、所定のルールまたは所定の作法に従って実行される。ノードが使用する帯域幅に対する要求が増加した場合には、近隣ノードがこれを許容するならば（例えば、近隣ノードが自分のスペクトラムの使用を低減することに同意するならば）、ノードはその共有スペクトラムの使用を増加させることができる。あるいは、ノードは、その要求を満足させるために、システムが使用していないスペクトラムを検出してそこにアクセスすることを試みることができる（このスペクトラムは、必ずしも他のノードと共有されている必要はない）。

集中型ネットワークと分散型ネットワークの双方に関連する（一般にはダイナミックスペクトラムアクセスにも関連する）概念は、スペクトラムセンシングと呼ばれる概念である（以下、センシングと呼ぶ）。センシングは、無線の送信を監視することにより、例えば、ある特定のスペクトラム帯域が現在少なくとも部分的に自由に使用することができるか否かを判定する行為である。即ち、センシングは、動的な方法、恐らくは二次的な方法でアクセスできるスペクトラムのチャンス（spectrum opportunity）を見いだす方法である。センシングに携わるデバイスは、通常“センサ”と呼ばれる。ユーザ機器や基地局等の様々なネットワークノードは、センサとして動作することができる。センシングによって識別されるスペクトラムのチャンスは、そのシステムに特に認可されたスペクトラムと比較して、あまり信頼度が高くないと見ることができるので、これらのチャンスは、例えば、時間が決定的な要因でないと考えられる送信に対して使用することができる。

少なくともある程度、（センシングに適用することができる信号に関して）非相関のフェーディングを経験しているいくつかのセンサには、それらのセンシングの結果に対して高い信頼度が要求されるということが、例えば、非特許文献２には、示されている。これは、単一のセンサであれば、深いフェーディングに陥る可能性があり、この場合には、現在使用しているスペクトラム資源を検出することは、事実上不可能、または少なくとも非常に困難だからである。従って、センシングは、複数のセンサを関与させて協同する方法で実行されるべきであるという主張がしばしばなされている。

現在までの研究は、主として、協同センシングを用いてスペクトラムのチャンスを検出する方法を提供することに対して焦点が当てられてきた。しかしながら、協同センシングに関与すると考えられるセンサをどのように選択するかに関しては、殆ど研究がなされてこなかった。非特許文献３では“距離拡散（distance spread）”という概念が扱われている。ここでは、協同センシングに関与するセンサの数および最も遠くにあるセンサ間の直線上での距離に関連するセンシングの動作性能が取り扱われている。この論文は、一旦、ある数のセンサが協同センシングに関与しているとすれば、更なるセンサの追加によって得られるセンシングの動作性能の改善は僅かであることを示している。しかしながら、この研究の欠点は、幾何形状が主として直線に限定される点である。

"スペクトラム占有の測定：２００７年４月１６〜１８日にダブリン、アイルランドで収集（Spectrum Occupancy Measurement; Dublin, Ireland, Collected On April 16-18, 2007）"、Ｔ．エルペック（T. Erpek）、Ｋ．ステッドマン（K. Steadman）、Ｄ．ジョーンズ（D. Jones）、２００７年共有スペクトラム会社レポート（Shared Spectrum Company Report, 2007） "協同センシングによるフェーディングチャネルにおける便宜的スペクトラムアクセス（Opportunistic Spectrum Access in Fading Channels Through Collaborative Sensing）"、Ａ．ガセミ（A. Ghasemi）、Ｅ．Ｓ．サウサ（E.S. Sousa）、雑誌「通信」（Journal of Communications）、第２巻第２号第７１−８２頁、２００７年３月 "コグニティブ無線における協同センシング（Cooperative Sensing among Cognitive Radios）"、Ｓ．Ｍ．ミシャラ（S.M. Mishra），Ａ．サハイ（A. Sahai）、Ｒ．Ｗ．ブローデルセン（R.W. Brodersen），ＩＥＥＥ通信国際会議（IEEE Intl. Conf. on Communication），第４巻、第１６５８−１６６３頁、２００６年６月

スペクトラムセンシングを実行するセンサは、全体的なシステム資源を枯渇させるであろう。例えば、センサは、その受信機やベースバンド回路のために電力を使用するであろう。従って、それにより電池の寿命を低減させる可能性がある。そして、センシング処理は処理能力を消費するであろう。また、センサは通常、センシングの結果を何らかの方法でレポートする必要があり、それによって、更なる通信資源が必要になる。従って、センシングには、少ない数のセンサを使用するが、それでもその数は、信頼度が高いセンシングが行えるような十分な数であること望ましい。この意味で、使用するセンサの数は２つの要因の兼ね合い（トレードオフ）であり、これらの２つの要因は、センシングの結果が高い信頼度を有することと、関与するセンサの電池容量や通信システムにおける送信オーバヘッド等の資源に対する要求が低いまたは合理的なレベルであることである。従って、協同センシングに参加するセンサを“最適な”方法で選択でき、これによりこれら競合する側面を適切にバランスさせることができる必要がある。

従って、本発明の１つの目的は、上記に示した困難な課題の内の少なくとも１つを克服するか、或は、少なくとも緩和することにある。

本発明の１つの側面からすれば、上述した目的は、以下に従った方法によって達成される。協同スペクトラムセンシングの際に関与するために利用可能なセンサの候補セットが求められる。その候補セットの中のそれぞれのセンサに対して、通信システムの中央調整ノードへのそれらの半径距離もまた求められる。最小半径の系列が生成される。その系列の各最小半径に対して、その半径で収容可能なセンサの数が決定される。即ち、この数は、これらの全てのセンサが互いに相関がなく、確率閾値の第１の設計値を下回る確率をもたないという条件で、この半径を有する円の上に設置可能なセンサの数の最大値である。最初の最小半径はゼロに設定され、この最小半径に収容される対応したセンサの数は１に設定される。中央調整ノードは、協同スペクトラムセンシングに関与することになるセンサのアクティブセットに対して選択される。他の最小半径のそれぞれは、系列の以前の最小半径と、この以前の最小半径に収容可能なセンサの数に基づいて計算される。これは、系列の以前の最小半径で収容されらいずれかのセンサと相関があるこの最小半径におけるセンサが推定確率が確率閾値の第２の設計値に等しくなるように計算することにより実行する。また、計算された最小半径は１つ以上の制約条件に対してチェックされる。計算された最小半径がこれら１つ以上の制約条件を満足しないなら、最小半径が再計算されて、これら１つ以上の制約条件を満足するようにする。これらのセンサは、最小半径の系列とそれに対応する収容数とに基づいて、候補セットの中からアクティブセットに対して選択される。ある特定な最小半径に対しては、このことは以下のことを伴う。候補セットが、この特定な最小半径で収容可能なセンサの数以上の数のセンサを含み、これらの全てのセンサがこの特定の最小半径を超える中央調整ノードへの半径距離をもつ場合には、この最小半径で収容可能なセンサの数に等しい数の、中央調整ノードへの半径距離の最小値を有し、その最小値がそれでもこの特定な最小半径を超えるセンサが、候補セットからアクティブセットに対して選択される。しかしながら、候補セットの中のセンサで、中央調整ノードへの半径がその特定な最小半径より大きい値を有するセンサの数が収容数より少ない場合には、その特定な最小半径より大きい半径を有する、アクティブセットの中の全てのセンサが、もしあるとすれば、アクティブセットに対して選択される。そして、その選択手順は終了する。

本発明の別の側面からすれば、上述の目的は、上記の方法を実行するよう構成されセンサ選択装置を使用して達成される。

本発明の実施例による一つの利点は、協同スペクトラムセンシングを行うためのセンサ選択に対する効率的かつ系統的なアプローチが提供されることである。協同スペクトラムセンシングにおいて、全ての候補センサを必ずしも関与させないことによって、協同スペクトラムセンシングによって導入されるシステム資源への負担を許容できる程度の低いレベルに保持することができる。さらに、上記提案のセンサのアクティブセットへの系統的な選択は、協同センシングが依然としてかなり高信頼度になることを保証する。

別の利点は、本発明の実施例では、中央調整ノードへの半径距離を使用するだけよく、より完全な位置情報は必要としないという点にある。このような半径距離は、大部分のシステムにおいてかなり容易に得ることができる。無論のことながら、半径距離の情報を使用すれば、相関がないことが保証されるセンサを識別することが可能である。即ち、センサ間の距離は、所定の非相関距離（decorrelation distance）よりも大きい。しかしながら、この方法によって見いだすことができるセンサの数は通常はかなり少なく、従って、この場合には、協同スペクトラムセンシングの信頼度が低くなる可能性が高い。本発明の実施例が提案する確率論的アプローチによって、ずっと多くのセンサが選択される資格を与えられるようになる。しかしそれでもなお、候補セットの中の全てのセンサをアクティブセットに対して選択する必要はなく、協同スペクトラムセンシングにおいて適切な程度の信頼度を達成することができる。

次に、代表的な実施例を用い、また、図面を参照することにより、本発明をさらに説明する。当業者であれば、更なる目的と利点とは、本発明のこれらの代表的な実施例と関連づけることができることを認識するであろう。

開示された本発明の変形例や他の実施例は当業者の念頭に浮かぶことであろう。そしてこれらは、以下の説明や添付図面の中で提示される教示により得られる利益を有するものである。従って、本発明は開示された具体的な実施例に限定されるものではなく、種々の変形例や他の実施例は、この開示の範囲の中に含まれると意図されることが理解されるべきである。ここでは具体的な用語を用いるかもしれないが、これらは一般的なかつ記述的な意味で使用されているだけであって、限定の目的で使用されているものではない。

本発明の実施例が適用される代表的なスペクトラム−オン−デマンドの状況を表すネットワークを示す図である。 図１に示すネットワーク状況におけるスペクトラム−オン−デマンドの動作を示す周波数との時間の関係を示す図である。 本発明の実施例に従う協同スペクトラムセンシング動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例に従うセンサ選択要素を持つ装置を示すブロック図である。 本発明の実施例に従うセンサ選択要素に接続した装置を示すブロック図である。 幾何学的図面である。 本発明の実施例に従う方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形に従うセンサ選択要素を示すブロック図である。

図１は、本発明の実施例が適用される１つの、純粋に代表的なスペクトラム−オン−デマンドの状況を表すネットワークを示す図である。この図では、カバレッジ領域が互いに重なりを持つ２つの無線通信システムＳ１とＳ２が示されている。ここでは、例として、システムＳ１はテレビジョン放送システムであり、２つの放送アンテナＰ１およびＰ２の表現で代表させている。また、システムＳ２はセルラ無線通信システムであり、２つの基地局ＢＳ１、ＢＳ２の表現で代表させている。２つの基地局ＢＳ１とＢＳ２はそれぞれ、セルＣ１とＣ２で無線カバレッジを提供する。システムＳ２によってサービスを受ける多くの数のユーザ機器（ＵＥ）もまた示されている。システムＳ１はスペクトラム帯域Ｂ１に対する認可を有する。しかしながら、別のスペクトラム帯域Ｂ２に対して認可を受けているシステムＳ２も、スペクトラム帯域Ｂ１においてスペクトラムチャンスを利用することができることを望んでいる。従って、システムＳ２は、信頼度が高いスペクトラム帯域Ｂ２を有しており、この帯域の中で、制御シグナリングとともに、データおよび他の形の通信のスケジューリングを行うことができる。同時に、必要があれば、または希望すれば、システムＳ２は、より信頼度が低いそのスペクトラム帯域Ｂ１をセカンダリユーザとして使用することにより、オプションとして、自分の利用可能なスペクトラムを一時的に拡張することができる。システムＳ２でのシステム負荷がスペクトラム帯域Ｂ２の帯域幅に対して相対的に低いかぎり、システムＳ２は、おそらくスペクトラム帯域Ｂ１における資源を使用する必要がない。しかしながら、システムＳ２の負荷が高くなった場合には、システムＳ２はスペクトラム帯域Ｂ１を使用することができ、例えば、（これに限定されるものではないが）大きなファイル転送等の時間が決定的な要因でない送信を行うことができる。従って、システムＳ２は、スペクトラム帯域Ｂ１に存在するスペクトラムチャンスに関する知識を広げる必要がある。これは、即ち、システムＳ１、または、スペクトラム帯域Ｂ１の中でセカンダリユーザとして動作している他のいずれのシステムによっても現在使用されていないスペクトラム帯域Ｂ１の無線資源（例えば、時間／周波数資源または符号（コード））である。ここでは、システムＳ１は、システムＳ２に対して、スペクトラム帯域Ｂ１におけるスペクトラムチャンスに関する情報を直接に供給してはいないと仮定している。従って、システムＳ２は、センシングによって自分自信でそのチャンスを検出しなければならない。センシング実行後に、システムＳ２が、使用されていない資源がスペクトラム帯域Ｂ１に存在することを確信した場合には、システムＳ２は、自分自身のトラフィックのために、それらの資源を使用することを選択することができる。

図２は、図１のネットワーク状況に適用されるスペクトラム−オン−デマンド動作の例を与える周波数−時間の関係を示す図である。時刻ｔ１において、システムＳ２は、自分に認可されたスペクトラム帯域Ｂ１が十分に利用されるようになるとき、スペクトラム需要の増加を経験する。システムＳ２は、スペクトラムチャンスを求めて帯域Ｂ１のセンシングを開始する。時刻ｔ２において、システムＳ２はスペクトラムチャンスを検出して、スペクトラム帯域Ｂ１の一部を第２の（セカンダリ）方法によって使用することを開始する。時刻ｔ３において、システムＳ２のスペクトラム需要は減少するが、システムＳ２はスペクトラム帯域Ｂ１の資源を以前として利用している。時刻ｔ４において、スペクトラム需要はさらに減少し、システムＳ２はスペクトラム帯域Ｂ１を放棄する。

システムＳ２におけるセンシングは、複数のセンサが関与する協同の方法で実行され、センシングの信頼度が改善されることが望ましい。基地局とサービスを受けるユーザ機器との内の少なくともいずれかのようなシステムＳ２のノードはセンサとして動作することができる。

図３は、本発明の実施例に従う協同センシングの１例を示すフローチャートである。図３の左側は基地局の中で実行される動作を示す。ここでは基地局は、協同スペクトラムセンシングに対する、開始および調整ノードとして動作する。図３の右側は、１つの代表的なセンサで実行される動作を示す。ブロック１１において、基地局は、通信需要をサポートするためには更なるスペクトラムが必要であることを判断する。基地局は、協同センシングに関与するための候補として見ることができるセンサのリストを保持している。従って、このリストはセンサの候補セットを含んでいる。このような候補セットは、“全てのセット”、即ち、ある地理的エリアの全てのノードのサブセットである。図３におけるもののような実施例では、協同センシングに対するセンサの選択は中央ノード（例えば、セルラシステムにおいては基地局、またはアドホックネットワークにおいてはマスタノード）が調整するので、全てのセットはその中央ノードに関係する全てのノードである。特定のノードが候補セットのメンバでない理由は、例えば、そのノードは、センシングされるスペクトラム帯域をサポートすることなどの必要な機能を備えていない可能性があるという恒久的な要因と、例えば、そのノードの電池のレベルが低くて関与できないという一時要因との内の少なくともいずれかの理由である。ブロック１１の後に、ブロック１３において基地局は、リストが最新であるか否かを判断する。リストが最新でない場合には、ブロック１５において、基地局は、その基地局に関係する全てのノードに対して検知要求を送信する。この検知要求はセンサによって受信される。これは代表的なセンサとしてブロック１７に示されている。この代表的なセンサは、ブロック１９において、検知要求を処理し、自分が協同スペクトラムセンシングに関与するための現在の候補であるか否かを判断する。この特定な例では、この代表的なセンサは協同スペクトラムセンシングに対する候補であると仮定されていて、この事実は、ブロック２１における応答においで基地局に伝えられる。タイムアウト（基地局が待たなければならない時間を意味する）２３の後に、基地局は、ブロック２５において、この応答を受信し、恐らくは同様の応答を他のノードからも受信する。ブロック２７において、基地局は、受信した応答に基づいてセンサリストを更新する。基地局は最新のセンサリストを得ると、候補セットを１つのアクティブセットと１つのパッシブセットの２つのセットに区分する。アクティブセットは、この特定の時刻に協同センシングに関与するであろうセンサを含み、そして、パッシブセットは、この特定の時刻に協同センシングに関与しないであろう候補セットのセンサを含む。もちろん、これらのセットの内の１つ、例えば、アクティブセットを決定するだけで十分である。この場合は、もう一方のセットは暗黙に同様に決定される。アクティブセットを確定した後に、ブロック３１において、基地局は検知命令を送信し、アクティブセットの全てのセンサにセンシングを実行するよう命令する。この例においては、この代表的なセンサはアクティブセットにあると仮定されており、従って、この代表的なセンサはブロック３３において検知命令を受信する。検知命令に応答して、この代表的なセンサは、ブロック３５においてセンシングを実行する。センシング実行後、この代表的なセンサは、ブロック３７においてセンシングの結果を検知レポートに入れて基地局に送信する。タイムアウト（即ち、待機時間）３９の後に、ブロック４１において、基地局はこの検知レポートとアクティブセットの他のセンサから同様の検知レポートとを受信する。そして、受信された検知レポートは、その後にブロック４３において基地局によって処理される。検知レポートを処理した結果、ブロック４５においてスペクトラムが決定される。スペクトラムの決定によって、協同スペクトラムセンシングの結果として、１つ以上のスペクトラムチャンスが検出されたか否かの判定を確立する。ブロック４７において、基地局は、スペクトラムの決定と、恐らくは追加的な情報とを関連するシステムノード（例えば、検出されたスペクトラムチャンスで送信または受信を行うようスケジューリングされたノード）に送信する。この特定な例では、この代表的なノードは、ブロック４９においてこの送信を受信する。

上述の候補セットを区分することに対しては、いくつかの理由がある。全てのセンサをセンシングのアクティビティに関与させることを望まない１つの理由は、システムでのエネルギー消費を低減することである。これは電池によって電力が供給されるセンサに対しては特に重要である。即ち、１つの同じセンサを協同センシングに繰り返し関与させることは、そのセンサの電池を消耗させるであろう。協同センシングにおいては、相関のあるフェーディングを受けている多くのセンサを使用するよりも、地理的に大きく分散した複数のセンサを使用する方が通常はより重要であるということも示されている。このことに対する理由は、相関のあるシャドーフェーディング（shadow fading）の確率は一般的に、センサ間隔とともに減少するからである。

個々のノードにおける電力消費を低減するために、候補セットをアクティブセットとパッシブセットとに区分することを経時的に変化させることができる。

さらに、センシングを行うスペクトラムレンジがサブレンジに分割される場合には、センシングを行うそれぞれの周波数サブレンジに対して別々のアクティブセットを設けることができる。

図３の例では、基地局は、候補セットをアクティブセットとパッシブセットとに区分することを担当し、それにより協同センシングに関与すべきセンサの判断を行なう。もちろん、必ずしも基地局ではなく、センサ選択要素に対してアクセスを有するいずれの装置にも、候補セットの区分分けを担当させることができる。図４はこのような装置５１の一例を示すブロック図である。ここでは、センサ選択要素５３が備えられて、装置５１の中に含められる。同様のブロック図が図５に示されている。

しかしながら、ここでは、センサ選択要素５３と装置５１は、物理的に別個のユニットであり、通信チャネル５５を通して通信を行う。センサ選択要素５３は、標準的な回路技術を使用して、種々の方法で実装される。これらの回路技術は、アプリケーション専用回路、プログラマブル回路、またはそれらの任意の組み合わせである。当業者であれば、要素５３はまた、適切なソフトウェアでプログラムされた１つ以上のプロセッサによって、完全にまたは部分的に実装されることを認識するであろう。センサ選択要素は、単一のユニットであってもよい。または、そのセンサ選択機能はいくつかのユニット、例えば、デバイスのいくつかのプロセッサ、または、いくつかの通信デバイスにわたって分散していてもよい。

図８は、センサ選択要素５３の特定な構成の実施例を示すブロック図である。図８の実施例においては、センサ選択要素５３は、プロセッサ１５１、メモリユニット１５３、および入力−出力ユニット１５５を備える。これらは全て、例えば、デジタルバス１５７によって接続されて動作する。メモリユニット１５３は、選択処理に関わる情報を持つデータベース１５９を記憶する。データベース１５９は、初期に入力−出力ユニット１５５を介して受信することができた情報を含み、この情報によって、候補セットと、例えば、位置情報等の候補セットに関する他の情報とが識別される。データベース１５９はまた、選択処理に使用することができる事前に記憶されたデータを含むことができる。これに関しては以下で例示する。プロセッサは、ソフトウェア１６１と、メモリユニット１５３によってまたは入力−出力ユニット１５５を介して提供されるデータとを使用して選択処理を実行する。選択処理の結果は、入力−出力ユニット１５５を介して通信することができる。センサ選択要素５３は特に、以下で記述し指摘する方法のいずれか１つを実行するよう構成される。

シャドーフェーディングは、建物や山岳等の大きな構造物の陰での伝搬損失によって生ずる。シャドーイングは、空間的な相関を持ち、相関の１つのモデルは、２つの端末間の距離ｄの関数であり、以下のＲ（ｄ）によって表される。即ち、
Ｒ（ｄ）＝ｅ^-ad （１）
である。ここで、ａは環境パラメータである。ｄをメートルで与えるとすれば、市街地の環境では、例えばａ≒０.１２０４であり、郊外の環境では、例えばａ≒０.００２である。これに関しては、非特許文献２を参照されたい。相関は指数関数的な減衰によってモデル化されているので、相関は負になることはなく、極限において（即ち、ｄ→無限大のときに）零（ゼロ）に漸近する。伝搬環境は、逆相関距離ｄ₀によって特徴付けることができる。逆相関距離ｄ₀は、シャドーイング相関が所定の閾値より低くなるために必要なセンサ間の最小間隔である。この閾値はユーザパラメータとして選択することができる。これは本質的に選択可能なセンサの量の間のトレードオフを表しており、もし“非相関”のセンサが望まれるなら、それは選択したセンサの相関レベルである。逆相関距離ｄ₀は、所与の相関閾値に対して上記の式から求めることができる。次に、閾値より小さいシャドーイング相関、即ち、２つのセンサの間の間隔がｄ₀より大きい場合、非相関のシャドーイングという用語を使用することとする。この場合には、複数のセンサは“非相関である”といい、他の場合には、これらセンサは“相関がある”という。

本発明の実施例に従えば、半径の情報だけが得られると仮定している。これは即ち、調整ノードから候補セットの中で利用可能な他のセンサへの距離だけが得られると仮定している。この距離情報は、伝搬時間、時間の進行、または同様の特徴から求めることができる。厳密に言えば、この距離情報は、電磁波が伝搬した距離を与えるものであって、物理的な距離を与えるものではない。しかしながら、これらの差異は通常は小さく、受信機における不十分なタイミング分解能が原因となって、物理的な距離と伝搬距離との間の差により生ずる誤差よりも大きい誤差が生じることはおそらくあるであろう。

最初に、調整ノードからの距離がｒ₁およびｒ₂である２つのセンサが相関のあるシャドーイングを経験する確率が導出される。図６は、この状況を示す幾何学図面である。基地局、マスタノード等の中央調整ノードは、ここでは点６１に位置し、点６１を中心とする２つの円６３と円６５が描かれている。円６３と円６５は、それぞれ半径ｒ₁およびｒ₂を有する。図６ではｒ₁はｒ₂より大きいと仮定しているが、これは一般性を失うものではない。なお、特に、今後与えられる公式は、ｒ₂がｒ₁以上である場合においても適用される。１つのセンサは円６３の上の任意の点６７に位置すると仮定する。次に、このセンサが円６５の上に位置するセンサと相関がある確率Ｐ［corr（１）］を確定する。センサが非相関のシャドーイングを経験するためには、それらの間の距離は逆相関距離ｄ₀より大きくなければならない。ｒ₁、ｒ₂およびｄ₀の値に依存して、３つの場合が存在する。最初の２つの場合はかなり単純である（それらはどちらも、三角不等式から直接的に求められる結果である）。即ち、ｄ₀＜｜ｒ₁−ｒ₂｜であれば、相関があるシャドーイングの確率はゼロになる。また、ｄ₀≧ｒ₁＋ｒ₂であれば、相関があるシャドーイングの確率は１になる。しかしながら、図６は、第３の場合を示すことを意図しており、ここでは、上記の不等式のいずれもが成り立たない。ここでは、点６７を中心として半径ｄ₀を有する第３の円６９が描かれている。明らかに、円６９の上または内部に位置する任意のセンサは、点６７に位置するセンサと相関があるであろう。そして、円６５の上にあるセンサという制約条件を課するとすれば、このことは、示された円弧７０の上の任意のセンサを意味する。例えば、余弦定理を使用して、円弧７０の長さｓは、次式で示すことができる。即ち、
ｓ（ｒ₁,ｒ₂,ｄ₀）＝２ｒ₂θ＝２ｒ₂ｃｏｓ^-1{(ｒ₁ ²＋ｒ₂ ²−ｄ₀ ²)/２ｒ₁ｒ₂}
である。

センサに関して一様な角度方向確率分布を仮定すると、点６７に位置するセンサが円６５の上に位置する、ある特定なセンサと相関のある確率は、単に、円弧７０の長さｓと円６５の全長との比であり、即ち、以下の式で示される。即ち、
Ｐ[corr(1)]＝ｓ（ｒ₁,ｒ₂,ｄ₀）/２πｒ₂
である。

従って、一般には、
┌
｜０（ｄ₀＜｜ｒ₁−ｒ₂｜であるとき）
Ｐ[corr（１）]＝｜１（ｄ₀≧ｒ₁＋ｒ₂であるとき）
｜ ……（２ａ）
｜（１／π）ｃｏｓ^-1｛（ｒ₁ ²＋ｒ₂ ²−ｄ₀ ²）／２ｒ₁ｒ₂｝
｜ （上記以外のとき）
└
と表される。

さて、円６５の上にｋ個のセンサがあるとすれば、点６７に位置するセンサがこれらのセンサの内の少なくとも１つと相関がある確率Ｐ［corr（ｋ）］は、式（２ａ）のＰ［corr（１）］を使用して、
Ｐ［corr（ｋ）］＝ｋ・Ｐ［corr（１）］ （２．１ａ）
となる。

式（２．１ａ）は、明らかに近似でしかない。実際に右辺は左辺の上限である。無論のことながら、“厳密な”式は、標準的な“包除公式（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ−ａｎｄ−ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ−ｆｏｒｍｕｌａ）”を使用して（および、円６５の上における統計的に独立なセンサ位置を仮定して）、以下のように求めることができる。即ち、

である。しかしこれは、通常は、我々の目的のためには不必要な程に複雑であると考えられる。

次に、半径ｒ₁の円の上、または近似的に円の上に位置するＫ個のセンサが全て互いに非相関である確率を計算するための式を導出する。センサの内のＫ−１個のセンサが全て互いに非相関であるとすれば、Ｋ番目のセンサが相関を有する確率は、（Ｋ−１）・ｓ（ｒ₁，ｒ₂，ｄ₀）／２πｒ₁で与えられる。無論のことながら、この値は１以下であると仮定している。そうでない場合には、求められた確率は明らかに１になる。従って、求められた確率は次式で表される。即ち、

である。

本発明の特定な実施例においては、中央調整ノードのセルは、Ｎ個のセクタに分割することができる。ここでＮは２以上の整数を表す。このようにセクタに分割したセルにおいては、特定のセンサが位置するセクタの外部に位置するセンサとの間の相関は考慮されてはいない。このセクタに分割したセルの場合には、式（２ａ）、（２．１ａ）、および（３ａ）と同様の式は次式で与えられることがわかる。即ち、
┌
｜０（ｄ₀＜｜ｒ₁−ｒ₂｜であるとき）
Ｐ[corr（１）]＝｜１（ｄ₀≧ｒ₁＋ｒ₂であるとき）
｜ ……（２ｂ）
｜［Ｎ・ｓ（ｒ₁,ｒ₂,ｄ₀）／２πｒ₂］・
｜ ［１−｛Ｎ・ｓ（ｒ₁,ｒ₂,ｄ₀）｝／８πｒ₂］
｜ （上記以外のとき）
└
式（２ｂ）におけるＰ［corr（１）］を使用して、
Ｐ［corr（ｋ）］＝ｋ・Ｐ［corr（１）］ （２．１ｂ）
Ｐ［K uncorrelated sensors（Ｋ個の非相関センサ）］＝

である。

ここでは、中央調整ノードからの半径がｒ₁に等しいまたは近似的に等しいところで“収容”されるセンサの数は、Ｐ［Ｋ個の非相関センサ）]≧Ｔ（セルの場合に依存して（３ａ）か（３ｂ）のいずれか一方を使用して）となるようにＫが最も大きな整数を意味するようにとられる。ここで、Ｔは確率閾値の第１の設計値である。

本発明の実施例に従えば、候補セットは、中央調整ノードからセンサへの実際の半径に基づいて、アクティブセットとパッシブセットとに区分される。

この方法は、センサの候補セットをその入力として使用する。ここでは、中央調整ノードからそれぞれの候補センサまでの距離（半径）は既知である。この方法への別の入力は、確率閾値の第１の設計値Ｔ、そして恐らくは、確率閾値の第２の設計値Ｄ（下記参照）である。

この方法は、次の最小半径ｒをゼロに等しいと設定し、そしてセンサの数をｋ＝１に選ぶ（次の最小半径ｒにおいて）ことにより初期化される。ここでは、変数ｋは、次の最小半径において収容可能なセンサの数を指示する変数として用いられる。従って、変数ｋは“収容数”を示す。ｋ＝１と設定することは、ここでは、半径がゼロの時にはただ１つのセンサだけが収容可能であると解釈される。新しい次の最小半径が引き続いて計算されて、それによりｋは更新され、ｋはその新しい次の最小半径において収容可能なセンサの数を示すことになるであろう。その後、中央調整ノード（ＢＳ、またはアドホックネットワークにおいてはマスタノード）はアクティブセットの中の第１のノードとして選択される。

ｒとｋの初期値、および確率閾値の第２の設計値Ｄが与えられれば、Ｐ［corr（ｋ）］をＤに等しく設定し（セルの場合に依存して、式（２ａ）および（２．１ａ）、または式（２ｂ）および（２．１ｂ）を使用して）、ｒ₂＝ｒと置いて、ｒ₁に関して式を解くことにより、新しい次の最小半径ｒ’が計算される。ある特定な実施例においては、確率閾値の第２の設計値Ｄは、確率閾値の第１の設計値Ｔに等しくすることができる。即ち、ただ１つの閾値が使用される。ここで、１つ以上の制約条件に対して、ｒ’の値を検査する。このような制約条件の１つの例は、半径ｒおよびｒ’の間の増分の最小値、ｒ’≧ｒ＋ｃである。ここで、ｃは逆相関距離ｄ₀と関連づけられる。制約条件の別の例は、確率閾値の第２の設計値Ｄ、半径ｒ、および逆相関距離ｄ₀のある値に対しては、式（２．１ａ）または（２．１ｂ）に対するｒ₁の真の解が存在しない場合があり、この場合には、解が存在するように、いくつかのパラメータ、例えば、確率閾値の第２の設計値Ｄが調整されなければならない。しかしながら、代替として、等式を不等式に置換し、例えば、Ｐ［corr（ｋ）］＜Ｄを要件とすることにより、解を常に見いだすことができる。そして、ｒ₁の値を極力小さな値とし、それでも不等式が満足されるようなｒ₁が選択されるべきことが好ましい。新しい次の最小半径であるｒ’に対して、有効な値が見いだされると、この方法はｒをｒ’に等しく設定する。従って、ｒは今や、新しい次の最小半径となる。この方法は次に、半径ｒ₁＝ｒにおいて収容可能なセンサの数を計算する。この場合、確率閾値の第１の設計値Ｔと、円形セルのシナリオに対しては式（３ａ）とを使用して、またセクタに分割したセルのシナリオに対しては式（３ｂ）とを使用して計算する。変数ｋはこの数に等しく設定される。

ｒとｋの更新した値が与えられると、この方法は、このようなｋ個のセンサが存在するなら、それでもｒよりは大きい値である最も小さい半径を持つｋ個のセンサを選択するステップに進む。このようなｋ個のセンサが存在する場合には、それらをアクティブセットに対して選択し、この方法は上述のｒとｋを更新するステップへと戻る。

候補セットに、ｒ以上の半径を持つセンサの数がｋ個未満しか存在しない場合には、これらのセンサを選択して、この方法は終了する。これはまた、有効な半径を持つセンサがない場合も含む。

この方法はオプションとして、アクティブセンサの数が規定した所望の値に達した場合には終了することもできる。このような値が規定されていない場合には、この方法は変更なく次に進む。別のオプションでは、アクティブセンサの数に制限なくこの方法を実行し、この方法が終了してから、アクティブセットの中のセンサの数が所望の値を超えた場合には、例えば、半径差の最小値を持つセンサを取り除くことによりアクティブセットを整理する。

速度と複雑さの観点からして望ましいとすれば、閾値Ｄが与えられた場合には、ｒおよびｒで収容可能なセンサｋの数を与えて、次の最小半径ｒ’を事前に計算することができる。

図７は、本発明を実行する実施例に従った、センサ選択の方法を示すフローチャートである。開始７１の後、ブロック７３においてこの方法への入力が与えられる。その入力は、中央調整ノード、ここでは基地局に対するセンサの半径をもつセンサの候補セット、確率閾値の設計値ＴおよびＤ、または、これらの閾値が等しいと考えられる実施例ではこれらの閾値の内の１つを含む。その後、ブロック７５において、変数ｒは０に設定し、変数ｋは１に設定する。ブロック７７において、基地局はアクティブセットに選択される。ブロック７９において、新しい次の最小半径ｒ’を上記で説明した方法で計算する。ブロック８１において、計算した値ｒ’が全ての制約条件を満足しているか否かを見るべく検査を行う。もし満足していなければ、ブロック８３において、ｒ’の値を再計算し、制約条件を満足するものが提供される。制約条件に適合するｒ’の値が得られると、ブロック８５において、ｒをｒ’に等しく設定する。従って、ｒは新しい次の最小半径になる。次にブロック８７において、半径ｒの円における上記で定義した意味での収容可能なセンサの数を決定し、変数ｋをこの値に等しく設定する。そして、ブロック８９において、中央調整ノードへの半径がｒより大きなセンサが、候補セットの中にｋ個含まれているか否かの検査を行う。含まれている場合には、ｒよりは大きい半径を持つ最小半径のｋ個のセンサを、候補セットから、アクティブセットに対して選択する。その後に、この方法は、ブロック７９に戻り、この方法は上述したように反復される。しかしながら、半径がｒより大きなセンサがｋ個存在しない場合には、ブロック９３および９５によって、ｒよりも大きい半径を持つ、いずれかのセンサが追加される。そして、この方法はブロック９７で終了する。

上記のように、本発明を種々の実施例を用いて例示した。しかしながら、これらの実施例は、限定的でない例としてのみ意図されており、権利保護の範囲は添付の請求の範囲によって定義されるものである。

Claims (13)

1. 協同スペクトラムをセンシングすることに関係した方法であって、前記方法は、
   前記協同スペクトラムに関与するために利用可能な複数のセンサの候補セットを取得し、前記候補セットにおけるセンサ各々に関し、通信システムにおける中央調整ノードへの半径距離を取得する工程（７３）と、
   次の最小半径をゼロに初期化する工程（７５）と、
   前記初期化された次の最小半径において収容されるセンサの数を１つに設定する工程（７５）と、
   前記協同スペクトラムのセンシングに関与するために複数のセンサのアクティブセットに対して前記中央調整ノードを選択する工程（７７）と、
   （ａ）新しい次の最小半径を、以前の最小半径に収容されるいずれかのセンサと相関がある前記中央調整ノードから前記新しい次の最小半径にあるセンサの推定確率が第２の設計確率の閾値と等しいように計算する工程（７９）と、
   （ｂ）前記新しい次の最小半径が１つ以上の所定の拘束条件に合致するかどうかをチェックし（８１）、そして、もし合致しないから、前記１つ以上の拘束条件に合致するように前記新しい次の最小半径を再計算する工程（８３）と、
   （ｃ）前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの数を、前記新しい次の最小半径にあるセンサが何の相互シャドーイング相関もない確率が第１の設計確率の閾値以上となるような最大整数値となるように決定する工程（８７）と、
   （ｄ）前記候補セットが、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数以上の数の、全てが前記新しい次の最小半径を超える前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを含むなら（８９）、前記アクティブセットに対し、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数に等しい数の、前記新しい次の最小半径を依然として超える前記中央調整ノードまでの最小半径距離をもつセンサを選択する工程（９１）と、
   （ｅ）前記候補セットが、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数以上の数の、全てが前記新しい次の最小半径を超える前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを含まないなら（８９）、前記アクティブセット毎に、もしあれば、前記候補セットにおいて、前記新しい次の最小半径よりも大きな前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを選択し、前記アクティブセットに対するセンサの選択を終了する工程（９５）と、
   （ｆ）前記アクティブセットに対するセンサの選択が終了しないなら、前記（ａ）から（ｆ）までの工程を繰り返す工程とを有することを特徴とする方法。
2. 前記アクティブセットのサイズが所定の所望する値に達したときにはいつでも、前記アクティブセットに対するセンサの選択を終了する工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記アクティブセットに対するセンサの選択が一度終了したなら、前記アクティブセットのサイズが所定の所望する値を超えるなら、前記アクティブセットをパージする工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記新しい次の最小半径を計算する工程は、セルが円形のセルであるか、或は、セクタ状のセルであるかを考慮する工程を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の設計確率の閾値と前記第２の設計確率の閾値は１つであり、同じ値であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記（ｂ）工程は、前記計算された新しい次の最小半径が以前の最小半径を少なくとも所定の量だけ超えることをチェックする工程を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記（ｂ）工程は、
   前記計算された新しい次の最小半径が正の実数の値であるかどうかをチェックする工程と、
   もし正の実数の値ではないなら、正の実数の値をもつ新しい次の最小半径が計算されるように前記第２の設計確率の閾値を調整する工程とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記（ｂ）工程は、以前の最小半径において前記アクティブセットに対して選択されたいずれかのセンサと相関がある、前記中心調整ノードから新しい次の最小半径にあるセンサの推定確率が第２の設計確率の閾値以下であるように、前記新しい次の最小半径を計算する工程を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記（ａ）工程から（ｄ）工程は、前もって計算され、前記計算の実行の結果は次の使用のためにメモリに格納されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記方法は前記中央調整ノードで実行されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記中央調整ノードは、基地局であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成されたことを特徴とするセンサ選択装置。
13. センサ選択装置であって、前記装置は、
    協同スペクトラムに関与するために利用可能な複数のセンサの候補セットを取得し、前記候補セットにおけるセンサ各々に関し、通信システムにおける中央調整ノードへの半径距離を取得する工程（７３）と、
    次の最小半径をゼロに初期化する工程（７５）と、
    前記初期化された次の最小半径において収容されるセンサの数を１つに設定する工程（７５）と、
    前記協同スペクトラムのセンシングに関与するために複数のセンサのアクティブセットに対して前記中央調整ノードを選択する工程（７７）と、
    （ａ）新しい次の最小半径を、以前の最小半径に収容されるいずれかのセンサと相関がある前記中央調整ノードから前記新しい次の最小半径にあるセンサの推定確率が第２の設計確率の閾値と等しいように計算する工程（７９）と、
    （ｂ）前記新しい次の最小半径が１つ以上の所定の拘束条件に合致するかどうかをチェックし（８１）、そして、もし合致しないなら、前記１つ以上の拘束条件に合致するように前記新しい次の最小半径を再計算する工程（８３）と、
    （ｃ）前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの数を、前記新しい次の最小半径にあるセンサが何の相互シャドーイング相関もない確率が第１の設計確率の閾値以上となるような最大整数値となるように決定する工程（８７）と、
    （ｄ）前記候補セットが、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数以上の数の、全てが前記新しい次の最小半径を超える前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを含むなら（８９）、前記アクティブセットに対し、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数に等しい数の、前記新しい次の最小半径を依然として超える前記中央調整ノードまでの最小半径距離をもつセンサを選択する工程（９１）と、
    （ｅ）前記候補セットが、前記新しい次の最小半径に収容されるセンサの前記決定された数以上の数の、全てが前記新しい次の最小半径を超える前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを含まないなら（８９）、前記アクティブセット毎に、もしあれば、前記候補セットにおいて、前記新しい次の最小半径よりも大きな前記中央調整ノードまでの半径距離をもつセンサを選択し、前記アクティブセットに対するセンサの選択を終了する工程（９５）と、
    （ｆ）前記アクティブセットに対するセンサの選択が終了しないなら、前記（ａ）から（ｆ）までの工程を繰り返す工程とを
    実行するよう構成されたことを特徴とするセンサ選択装置。

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