JP5370889B2 - コグニティブ無線通信用スペクトラムセンサー及びコグニティブ無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は，コグニティブ無線通信用スペクトラムセンサー及びコグニティブ無線通信方法などに関し，特に，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に準拠した超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）を用いたエネルギー検出が可能なコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサー及びコグニティブ無線通信方法などに関する。

複数の無線通信デバイスの間では無線通信が行われる。このような無線通信では，スペクトラムの需要が増している。スペクトラムの不足という問題に対処するために，動的スペクトラムアクセス（ＤＳＡ）に関する技術が提案されている。この動的スペクトラムアクセスに関する技術の一例としては，コグニティブ無線が挙げられる（例えば，特許文献１参照。）。

コグニティブ無線通信システムでは，まず，スペクトラムセンサーが無線周波数環境についてスキャンを行う。そして，スペクトラムセンシングの結果は，出力として，コグニティブ無線通信システムの頭脳ともいえるコグニティブエンジン（ＣＥ）に転送される。そして，コグニティブエンジン（ＣＥ）は，センシング情報を解析する。この解析によって，コグニティブ無線通信において利用可能な周波数帯域（周波数機会）が特定される。

また，コグニティブ無線通信システムでは，スペクトラムセンサーにおいて，局所的な解析を予備的に行ってもよく，その場合，得られた情報は，コグニティブエンジン（ＣＥ）に転送されて，最終的な決定に用いられる。

上述したように，コグニティブ無線通信システムでは，スペクトラムセンシングの結果としてセンシング情報を得ることで，コグニティブ無線通信が可能となる。

ここで，このスペクトラムセンシングを速やかに行うこと（又は，得られたセンシング情報を速やかに送受信すること）ができれば，得られたスペクトラム機会を直ちに利用することが可能となることが期待される。しかし，一方で，コグニティブ無線通信システムでは，ライセンスされている無線通信サービスを保護するために，スペクトラムセンシングの信頼性を高めることも求められている。すなわち，信頼性のあるスペクトラムセンシングを限られた時間内で速やかに行うことができれば，コグニティブ無線通信の通信効率を高めることを期待することができる。

ところで，通信機能（送受信機能）とスペクトラムセンシング機能とを兼ね備えたスペクトラムセンサー（以下，二重スペクトラムセンサーともいう）が，本願の発明者らによって考えられている（非特許文献１）。しかしながら，そのような二重スペクトラムセンサーにおいて，出力が１つであると，スペクトラムセンシングの際には通信機能を停止して，スペクトラムセンシング用の時間を確保する必要がある。

以上のことから，コグニティブ無線通信においては，スペクトラムセンシングの信頼性を確保することと，スペクトラムセンシングを速やかに行うこと（又はスペクトラムセンシング後の通信を速やかに行うこと）の双方を満たすことは容易ではなかった。また，標準仕様によって，スペクトラムセンシング用の時間が予め定められている場合と，通信機能用の時間を確保することができず，一方，標準仕様によって，通信用の時間が予め定められている場合，スペクトラムセンシング用の時間を確保することができない。そのため，スペクトラムコグニティブ無線通信の通信効率をさらに高めることが困難であった。

特開２００７−０８８９４０号公報

特願２００９−１６５２９７号明細書（未公開）

そこで，本発明は，通信効率を高めることができるコグニティブ無線通信用のスペクトラムセンサー，並びに，そのようなスペクトラムセンサーを用いた無線通信方法などを提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，コグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーに関する。このスペクトラムセンサーは，コグニティブ無線通信システムにおいて，多周波数帯域にわたるスペクトラムのセンシングを行うためのものである。ここで，コグニティブ無線通信システムは，コグニティブ無線通信が可能な無線通信デバイスを含んでいる。

そして，本発明のスペクトラムセンサーは，スペクトラムのセンシングを行うためのスペクトラムセンシングモードと，無線通信デバイスとの間で通信を行うための通信モードとを含む動作モードから選択された１つの動作モードで動作可能に構成されている。さらに，スペクトラムセンサーは，動作モードを制御するコントローラーを含んでいる。このコントローラーは，超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）のシンボル期間において，上記動作モードの切り替えを行う。これにより，本発明では，シンボル期間において，スペクトラムセンシング機能に必要な時間を確保することができるだけでなく，通信機能に必要な時間を確保することができ，その結果，通信効率を高めることができるようになる。すなわち，シンボル期間において，スペクトラムセンシングと，通信とを並列的に行うことができる。

また，本発明の他の側面では，前記コグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーは，外部から入力された無線信号が並列的に入力される第１の積分器及び第２の積分器と，前記第２の積分器の出力値を変換する符号変換器と，前記第１の積分器の出力値と，前記符号変換器によって変換された前記第２の積分器の出力値とを加算する第１の加算器と，前記第１の加算器に直列に接続された第１の決定デバイスと，前記第１の積分器の出力値と，前記第２の積分値の出力値であって前記符号変換器によって変換がなされていない出力値とを加算する第２の加算器と，前記第２の加算器に直列に接続された第２の決定デバイスとを含んでいる。

そして，上記コントローラーは，前記動作モードが前記通信モードである場合，前記第１の決定デバイスに，前記第１の加算器の出力値を用いた決定を行わせ，前記動作モードが前記スペクトラムセンシングモードである場合，前記第２の決定デバイスに，前記第２の加算器の出力値を用いた決定を行わせる。これにより，いずれの動作モードにおいても，第１の積分器と第２の積分器とを利用することができる。すなわち，部品の共有により，スペクトラムセンサーの小型化を図ったり，消費電力を少なくしたりすることができる。さらに，このスペクトラムセンサーは，出力部（第１の決定デバイス及び第２の決定デバイス）を２つもつこととなり，出力を並列的に行うことができる。言い換えると，通信モード時の出力（通信シグナル）と，スペクトラムセンシングモード時の出力（センシングシグナル）とを分離して出力することができる。したがって，センシングシグナルの計算と分析を行っても，通信モジュール（通信モード時に用いるデバイスや機能ブロック）に影響がなくすことができる。

さらに，本発明の上記他の側面では，上記コントローラーが，動作モードに応じて，前記積分器による積分区間及びその始点を積分区間セレクター及び遅延セレクターを用いて変更する。これにより，動作モードに応じた動作を確実に行うことができる。

また，本発明の他の側面では，前記コグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーは，外部からの無線信号を受信するための第１のアンテナと，前記第１のアンテナと前記第１の積算器及び前記第２の積算器との間に設けられたバンドパスフィルターと，外部からの無線信号を受信するための第２のアンテナを複数含むアンテナ群と，前記アンテナ群と前記第１の積算器及び前記第２の積算器との間に設けられた複数のバンドパスフィルターで構成されたフィルターバンクとを含んでいる。

そして，上記コントローラーが，前記動作モードの切り替えを行うことにより，上記外部からの無線信号が，前記バンドパスフィルター又は前記フィルターバンクを介して，前記第１の積算器及び前記第２の積算器の双方に入力される。これにより，上述した部品の共有を確実に行うことができる。

また，本発明の他の側面では，前記シンボル期間は，通信を行うための期間と，通信を行わないための期間とを含んでいる。そして，上記コントローラーは，前記通信を行わないための期間において，前記動作モードを前記スペクトラムセンシングモードに切り替えるように構成されている。これにより，通信を行わないための期間（例えば，保護時間Ｔ_GI）を利用して，スペクトラムセンシングを確実に行うことができる。

また，本発明の他の側面は，コグニティブ無線通信システムにおいて，コグニティブ無線通信を行うためのコグニティブ無線通信方法に関する。ここで，コグニティブ無線通信が可能な無線通信デバイスと，多周波数帯域にわたるスペクトラムのセンシングを行うためのコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーとを少なくとも含んでいる。そして，スペクトラムセンサーは，前記スペクトラムのセンシングを行うためのセンシングモードと，前記無線通信デバイスとの間で制御信号の送受信を行うための送受信モードとを含む動作モードから選択された１つの動作モードで動作可能に構成されている。

そして，このコグニティブ無線通信方法では，超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）のシンボル期間において，前記動作モードの切り替えが行われる。すなわち，この側面によっても，上述した効果と同等の効果を奏することができる。

本発明によれば，コグニティブ無線通信システムの通信効率を高めることができる。

図１は，本発明の一態様に係るコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーの構成を模式的に示すブロック図である。 図２は，図１のスペクトラムセンサーがスペクトラムセンシングを行うために確保された時間を説明するための図である。 図３は，図１のスペクトラムセンサーの動作モードの切り替えの一例を説明するための図である。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態を説明する。しかしながら，以下説明する形態はある例であって，当業者にとって自明な範囲で適宜修正することができる。

本発明の一態様に係るコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーは，コグニティブ無線通信システムを構成するロジカル要素の１つである。そして，このスペクトラムセンサーは，コグニティブ無線通信システムにおいて，コグニティブ無線通信を行うために必要なスペクトラムセンシングを行うためのものである。スペクトラムセンシングとは，コグニティブ無線通信などの無線通信に利用される可能性のある周波数環境をスキャンして，スペクトラムの利用状況を分析可能な情報（センシング情報）を取得することをいう。

また，本態様では，スペクトラムセンサー（二重スペクトラムセンサー）は，さらに，コグニティブ無線通信システムを構成する他のロジカル要素（コグニティブエンジン（ＣＥ）やデータアーカイブ（ＤＡ））からセンシング制御情報を受信したり，他のスペクトラムセンサーからセンシング情報を受信したり，他の構成要素に対してセンシング情報やセンシング制御情報を送信したりすることができるように構成されている。すなわち，本態様に係るスペクトラムセンサーは，スペクトラムセンシング機能と，通信機能（送受信機能）の双方を実現可能に（つまり，二重の目的を兼ねるように）構成されている。

さらに，本態様では，スペクトラムセンサーは，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に準拠した物理層（ＰＨＹ）を介してスペクトラムセンシングを行うことを特徴としているとともに，ＢＰＭ及びＢＰＳＫの２つの変調方式が採用されたハイブリッド型の構成をもつ。これにより，スペクトラムセンサー１は，スペクトラムセンシングを実行するとともに，そのスペクトラムセンシングと並行して通信を行うことが可能となっている。なお，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に必ずしも準拠していなくてもよいが，本態様は，低いデューティーサイクル（ＬＤＣ）タイプの無線通信システムに適用されることで，本態様に係るスペクトラムセンサーは，より効果を発揮する。

ところで，スペクトラムセンサーのＵＷＢ用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）では，ハイブリッド型の変調を行うことが可能である。ここで，ハイブリッド型の変調とは，公知の二相位相変調方式（ＢＰＳＫ：ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）と，二相パルス位置変調方式（ＢＰＫ：ｂｉｎａｒｙ ｐｕｌｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）とを含むＢＰＭ−ＢＰＳＫ方式の変調である。

このようなＢＰＭ−ＢＰＳＫ方式の変調では，ＵＷＢ ＰＨＹのシンボルを２ビットの情報のキャリアーとしている。この２ビットのうちの１ビットは，パルスの位置のバーストを決定するために利用され，もう一方の付加的な１ビットは，そのバーストと同じバーストの位相（極性）を変調するために利用される。この変調方式を採用することで，非常に単純で，非コヒーレントな無線受信機構造を採用（サポート）することができるようになる。非コヒーレントな無線受信機構造の一例としては，インパルス無線型（ＩＲ：ｉｍｐｌｕｓｅ ｒａｄｉｏ）のＵＷＢ（ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅ ｂａｎｄ：超広帯域）を挙げることができる。また，この変調方式を採用することで，コヒーレントな無線受信機もサポートすることが可能である。

そこで，本態様では，スペクトラムセンサーは，ＩＲ−ＵＷＢをベースとしている。これにより，本態様のスペクトラムセンサーでは，消費電力を最小限に抑えることができるとともに，複雑度を低く抑えることができるようになっている。このため，サイズが小型のスペクトラムセンサーを工業的に大量生産可能である。

また，本態様に係るスペクトラムセンサーは，ＩＲ−ＵＷＢをベースとすることで，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に準拠したＵＷＢ信号（又はＬＤＣの信号）などを検出可能に構成されている。本態様では，このスペクトラムセンサーの無線送受信機におけるエネルギー検出に伴ってＩＲを選ぶことにより，スペクトラムセンサーにおいて，通信機能用の部品とスペクトラムセンシング機能用の部品とを共有（再利用）することを可能としたものである。そして，ＩＲ−ＵＷＢを利用した無線通信システム（ＩＲ−ＵＷＢシステム）は，特に，その非常に広い周波数領域特性によって，厳しいマルチパス環境や干渉環境の下でも，優れたロバスト性をもったパフォーマンスを発揮することができるという点で有利である。

続いて，本態様に係るスペクトラムセンサーの構成について説明する。

図１は，本発明の一態様に係るコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーの構成を模式的に示すブロック図である。具体的には，スペクトラムセンサーを構成する複数の機能ブロックが図１に示されている。

図１に示すように，スペクトラムセンサー１は，受信部１０と，検出器２０と，メモリ５０と，コントローラー５１とを含む。また，スペクトラムセンサー１は，送受信モードと，センシングモードとの間で動作モードが切り替え可能に構成されており，デフォルトの状態では，送受信モードに設定されている。ここで，送受信モードは，他の無線通信デバイスとの間で制御信号やセンシング情報の送受信を行うためのモードである。センシングモードは，スペクトラムセンシングを行って，センシング情報を取得するためのモードである。

受信部１０は，スペクトラムセンサー１又はスペクトラムセンサー１が搭載されたデバイスの前方端に配置されており，第１のアンテナ１１と，第２のアンテナ１２と，フィルター群１３を含む。アンテナ１１，１２は，無線通信デバイスとの間で制御信号の受信を行ったり，スペクトラムセンシングを行ったりするためのものである。フィルター群１３は，第１のアンテナ１１及び第２のアンテナ１２の総数と同じ数のバンドパスフィルター（ＢＰＦ）Ｂ₀，Ｂ₁，Ｂ₂，…，Ｂ_Nを含んでいる。各バンドパスフィルターは，１つのアンテナに接続されている。

バンドパスフィルターＢ₀とそれに接続されている第１のアンテナ１１は，スペクトラムセンサー１の通信機能の受信機能を果たすために設けられたものである。そして，第１のアンテナ１１と，バンドパスフィルターＢ₀と，検出器２０の一部は，受信チェーン（Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｃｈａｉｎ）６０を構成する。このバンドパスフィルターＢ₀が通すことが可能な周波数帯域は，通信用の周波数帯域であり，本態様では，ＵＷＢの周波数帯域である。バンドパスフィルターＢ₀が通すことが可能な周波数帯域は，具体的には，サブギガヘルツ帯（２５０ＧＨｚ〜７５０ＧＨｚ），低周波数帯（３．１ＧＨｚ〜５ＧＨｚ），高周波数帯（６ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚ），又はそれらの組み合わせである。

一方で，残りのバンドパスフィルターＢ₁，Ｂ₂，…，Ｂ_Nとそれらに接続されているアンテナ群（複数の第２のアンテナ１２）は，スペクトラムセンシングに用いるために設けられたものである。バンドパスフィルターＢ₁，Ｂ₂，…，Ｂ_Nの各々も，アンテナの１つと検出器２０との間に設けられており，検出器２０に接続されている。また，これらのバンドパスフィルターは，互いに異なる周波数帯域のスペクトラムを取り出すことが可能に構成されているとともに，対応するアンテナ（第２のアンテナ）が受信した多重化されている周波数帯域の全領域をカバーするように設けられたフィルターバンクである。このフィルターバンクは，本態様では，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に準拠したものとなっている。言い換えると，フィルターバンクを構成する各バンドパスフィルターは，特定の周波数帯域の信号を受信できるようにチューニングされている。

そして，本態様では，複数の第２のアンテナ１２と，バンドパスフィルターＢ₁，Ｂ₂，…，Ｂ_Nと，検出器２０の一部とで構成される部分７０により，スペクトラムセンシングを行うことが可能となる。そのため，この部分７０を，本明細書では，スペクトラムセンサー部ともいうこととする。また，コントローラー５１による接続／遮断の制御により，特定の周波数領域のスペクトラムをセンシングすることが可能となっており，これにより，その周波数領域でのセンシング期間を長く確保することができるようになっている。

また，各バンドパスフィルターＢ₀，Ｂ₁，Ｂ₂，…，Ｂ_Nと，検出器２０との間の接続／遮断は，コントローラー５１によって制御されるようになっている。これにより，例えば，多重化されているスペクトラムをセンシングする際においても，センシングの対象となる周波数帯域を柔軟に調節すること（つまり切り替えること）ができる。このようなフィルターバンクを備えることで，適合型広帯域用の前方端アナログフィルターに比較して，スペクトラムセンシングのチャレンジ回数を少なくすることができる。

検出器２０は，スペクトラムセンサー１においてスペクトラムを検出するための機能ブロックである。具体的には，検出器２０は，スペクトラムセンシングと，通信（送受信）の双方の目的で設けられたハードウェアである。言い換えると，検出器２０は，受信チェーン６０と，スペクトラムセンサー部７０の双方によって共用される。

本態様では，検出器２０によるスペクトラムの検出は，エネルギー検出によって行われる。なお，このようなエネルギー検出技術は，ＵＷＢのような無線シグナリング技術では一般的である。そのようなエネルギー検出では，無線信号の検出に際して複雑度の低さを次善な程度に維持することができる。また，スペクトラムセンサー部７０によるスペクトラムセンシングでは，たとえば，ＵＷＢシグナリングを用いて通信を行う。ここで，ＵＷＢシステムでは，ライセンスされていないスペクトラムを利用するため，内部センサーと，コグニティブエンジンに対するセンサーとが選択されることが理想的である。

検出器２０は，図１に示すように，１つの二乗回路２１と，２つの積分・減衰器２３，２４と，１つの符号変換器（インバーター）２５と，２つの加算器２６，２７と，２種類の決定デバイス２８，２９とを含んで構成されている。

検出器２０において，二乗回路２１と，積分・減衰器２３と，加算器２６と，決定デバイス２８とは，直列に接続されている。ここで，積分・減衰器２３と加算器２６の間の接続は，分岐しており，積分・減衰器２３は，加算器２７にも接続されている。また，二乗回路２１と，積分・減衰器２４と，加算器２７と，決定デバイス２９とは，直列に接続されている。ここで，積分・減衰器２４と加算器２７の間の接続は，分岐しており，積分・減衰器２４は，上記符号変換器２５を介して加算器２７に接続されている。

具体的には，検出器２０の受信チェーン６０対応部分では，まず，ＵＷＢ用の周波数帯域の信号が二乗回路２１に入力され，続いて，二乗回路２１からの出力値（エネルギー値）が２つの積分・減衰器２３，２４に並列的に入力され，そして，所定の積分区間にわたって積算されて，それらの積算値が，加算器２６に入力される。ここで，一方の積分値は，加算器２６に入力される前に符号変換器２５を介して入力される。そして，その加算器２６から，その出力値が，決定デバイス２８に入力される。ここで，加算器２６と，決定デバイス２８とは，サンプリングデバイスを構成しており，このサンプリングデバイスは，Ｚ_UWB個の通信シグナルをサンプリングする。最終的に，その決定デバイス２８が閾値を用いて決定した情報が出力されることとなる。

すなわち，決定デバイス２８は，アンテナ１１及びバンドパスフィルターＢ₀を介して入力されたＵＷＢ用の周波数帯域の信号に基づいて出力を行う，通信用の決定デバイスである。この通信用の決定デバイス２８は，決定統計値と所定の閾値とを比較することによって，決定統計値をバイナリー信号に変換して，それを出力するように構成されている。なお，通信用の決定デバイス２８から出力される情報をメモリ５０に保存してもよい。

また，検出器２０のスペクトラムセンサー部７０対応部分では，スペクトラムセンシング用の周波数帯域の信号が二乗回路２１に入力され，続いて，二乗回路２１からの出力値（エネルギー値）が２つの積分・減衰器２３，２４に並列的に入力され，そして，所定の積分区間にわたって積算される。ここで，積分区間は，コントローラー５１によって制御されているため，送受信モードとスペクトラムセンシングモードとでは，積分区間が異なるようになっている。そして，積分・減衰器２３，２４の積分値は，加算器２７に入力される。そして，その加算器２７から，その出力値が，決定デバイス２９に入力される。ここで，加算器２７と，決定デバイス２９とは，サンプリングデバイスを構成しており，このサンプリングデバイスは，Ｚ_sens個のセンシングシグナルをサンプリングする。最終的に，その決定デバイス２９が，上記決定デバイス２８の閾値とは異なる閾値を用いて決定した情報が出力されることとなる。

すなわち，決定デバイス２９は，アンテナ１１及びフィルターバンクを介して入力されたスペクトラムセンシング用の周波数帯域の信号に基づいて出力を行う，スペクトラムセンシング用の決定デバイスである。このスペクトラムセンシング用の決定デバイス２９は，決定統計値を，スペクトラムセンシングのハード情報に変換して，それを出力するためのものである。スペクトラムセンシング用の決定デバイスは，ハード情報の決定を，各ＵＷＢシンボル期間中に，又はいくつかのＵＷＢシンボルに対するエネルギー値を集めることで，行う。スペクトラムセンシング用の決定デバイス２９は，十分な数のサンプルが集まったときに決定をなすように構成されている。なお，スペクトラムセンシング用の決定デバイスから出力される情報をメモリ５０に保存してもよい。

メモリ５０は，情報を記憶するための記憶部の一例である。メモリ５０には，スペクトラムセンシングの結果得られるセンシング情報やセンシング制御情報が記憶される。また，メモリ５０には，コントローラー５１が制御に用いるためのプログラムや制御情報が記憶されている。

コントローラー５１は，スペクトラムセンサー１において各種の制御を行うためのものである。例えば，コントローラー５１は，スペクトラムセンサー１の動作モードを送受信モードと，センシングモードとの間で切り替える制御を行う。このために，コントローラー５１は，各バンドパスフィルターを制御する。具体的には，各バンドパスフィルターと検出器２０との間の接続／遮断の切り替えを行う。

また，コントローラー５１は，さらに，複数のタスクを実行可能に構成されている。コントローラー５１が実行するタスクとしては，上述した各バンドパスフィルターの制御に加えて，検出器２０の積分・減衰器２３，２４における積分区間の制御及び遅延間隔の制御や，検出器２０の決定デバイス２８，２９で用いる閾値の制御などがある。

積分区間の制御では，コントローラー５１は，図１に示す積分区間セレクターを用いて，積分区間を設定する。ここで，通信（送受信）に必要な積分区間は，通常，チャネル遅延拡散τ_rms（このチャネル遅延拡散τ_rmsは，屋内でのＵＷＢ用途では，１０ｎｓよりも大きい場合が多い。）によって影響を受ける。一方で，センシングに必要な積分区間は，主に，検出確率の目標値によって影響を受ける。そこで，コントローラー５１は，通信機能及びスペクトラムセンシング機能の一方に応じた積分区間を選択（設定）するように構成されている。このように構成することで，動作モードが変わっても積分区間を調整することが可能となり，検出器２０の共有を確実に行うことができる。

具体的には，選択された機能が通信機能である場合（検出した信号にプライマリー信号がある場合）には，コントローラー５１は，下記式（１）にしたがって，積分・減衰器２３，２４に積分区間ｆ_aを設定する。同様に，選択された機能がスペクトラムセンシング機能である場合（検出した信号にプライマリー信号がない場合）には，下記式（２）にしたがって，積分区間ｆ_aが設定される。

ｆ_a＝Ｔ_burst＋τ_rms （１）

ｆ_a＝Ｔ_GI （２）

ここで，上記式（１）におけるＴ_burstは，図２に示すように，ＵＷＢ ＰＨＹのシンボル期間Ｔ_dsymを２分割した区間Ｔ_BPMを等分した期間に相当する。τ_rmsは，ＵＷＢ信号のｒｍｓ遅延拡散である。上記式（２）におけるＴ_GIは，保護時間（ｇｕａｒｄ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｐｅｒｉｏｄ）を表している。

ただし，実際の積分区間は，検出確率Ｐ_Dの目標値と，誤警報確率Ｐ_faの目標値とに応じたものである必要がある。そこで，本態様では，ＵＷＢのシンボル期間のいくつかにわたって積分を行っている。

また，遅延間隔の制御では，コントローラー５１は，選択した機能が通信機能であるか，スペクトラムセンシング機能であるかに応じて，さらには，下記式（３）〜（６）中に示すようなパラメーターを用いることで，積分開始の遅延値を定めている。

具体的には，選択された機能が通信機能である場合（検出した信号にプライマリー信号がある場合）には，コントローラー５１は，図１に示す遅延セレクターを用いて，下記式（３），（４）にしたがって，積分・減衰器２３，２４に，それぞれ，遅延値ｆ_b1，ｆ_b2を設定する。同様に，選択された機能がスペクトラムセンシング機能である場合（検出した信号にプライマリー信号がない場合）には，下記式（５），（６）にしたがって，遅延値ｆ_b1，ｆ_b2が設定される。

ｆ_b1＝ｋＴ_sym＋Ｄ_k （３）
ｆ_b2＝ｋＴ_sym＋Ｔ_BPM＋Ｄ_k （４）

ｆ_b1＝ｋＴ_sym＋Ｔ_burst （５）
ｆ_b2＝ｋＴ_sym＋Ｔ_BPM＋Ｔ_burst （６）

ここで，ｆ_b1及びｆ_b2は，それぞれ，シンボル区間の最初の半分の遅延選択関数及び残りの半分の遅延選択関数を表しており，ＢＰＭ−ＢＰＳＫの通信信号の信号構造から，適切な積分区間を算出するためのものである。ｋは，シンボルのインデックスを表している。Ｄ_kは，シンボルからシンボルへと変化するときの時間ホッピングコード（ｔｉｍｅ ｈｏｐｐｉｎｇ ｃｏｄｅ）である。

また，閾値の制御では，コントローラー５１は，動作モードや状況に応じて，検出器２０が必要とする閾値（例えば，ノイズに対する閾値）を選択して，決定デバイス２８，２９に設定する。

以上詳細に説明したように，スペクトラムセンサー１を構成することにより，スペクトラムセンサー１は，以下のような特徴や効果をもつことができる。

スペクトラムセンサー１に，並列配置の積分器（積分・減衰器２３，２４）を設けることにより，それらの積分器の出力側の２つのブランチを利用して，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａのＰＨＹで特定されるようなＢＰＭ−ＢＰＳＫ信号の変調や復調を実現することが可能となる。また，それらの積分器は，スペクトラムセンシング用のサンプルのエネルギー値を集めるためにも用いられる。

ここで，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａに準拠した無線通信システムでは，シンボル期間が通信時間と保護時間（ｇｕａｒｄ ｉｎｔｅｒｖａｌ）Ｔ_GIとで構成されている（図２参照。）。そして，この保護時間Ｔ_GIでは，有効な通信シグナルが含まれないようになっている。これは，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａが，データ速度（データレート）の低いアプリケーションに向けてデザインされた規格であるためである。

一方，本態様に係るスペクトラムセンサー１は，シンボル期間中において，スペクトラムセンシングモードと通信モードとの間で動作モードをコントローラー５１で切り替えながら動作する。具体的には，スペクトラムセンサー１は，標準規格で定められた通信時間中は，通信シグナルを取得し，通信をしない期間は，センシングシグナルを取得する。これにより，通信効率を高めることができる。より好ましくは，標準仕様によって通信をしない期間として定められている保護時間Ｔ_GIを利用してスペクトラムセンシングを行って，センシングシグナルを取得する。通常，保護時間Ｔ_GIは，十分に長く設定されているため，スペクトラムセンシングを行うには十分である。なお，本発明のスペクトラムセンサー１は，保護時間Ｔ_GIが短く設定されている場合であっても，コントローラー５１によって動作モードを適切に切り替えることで，スペクトラムセンシングを行うことができるように構成されていることが好ましい。

コントローラー５１は，積分区間セレクターや遅延セレクターを用いることによって，積分器に，適切な積分区間やその始点を設定することができる。ここで，積分区間やその始点は，スペクトラムセンシング用と，通信用とでは異なる。

ここで，コントローラー５１は，動作モードの切り替えを，１つのシンボル期間内で行っている。また，コントローラー５１は，動作モードの切り替えを，受信部１０のみに対して行っている。そして，スペクトラムセンサー１の検出部２０では，１つのシンボル期間において，通信シグナルの処理と，センシングシグナルの処理とを行う。その結果，２つのデバイス２８，２９は，シンボル期間毎に，それぞれ，通信シグナル，センシングシグナルを同時に出力する。これにより，通信効率を高めることができる。

次に，本発明の具体例（第１の具体例及び第２の具体例）を説明する。

第１の具体例では，複数のスペクトラムセンサーは，協調センシング（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）／協働センシング（ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｎｇ）を行って，それらのセンシング結果をコグニティブエンジン（ＣＥ）やコグニティブ無線通信可能な領域に向けて送出する。

特に，屋内の用途では，スペクトラムセンサー間や，スペクトラムセンサーとコグニティブエンジン（ＣＥ）の間での通信が主となるので，低いデータレートのＬＲ−ＷＰＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．の標準規格に準拠したもの）が適している。ここで，ＬＲ−ＷＰＡＮは，ＵＷＢのライセンスされていない周波数領域を利用するものである。ＬＲ−ＷＰＡＮが適している理由としては以下の２つが挙げられる。１つ目の理由は，スペクトラムセンサーは，低いデータレートで通信を行うことが必要とされているからである。２つ目の理由は，ＵＷＢのライセンスされていない周波数帯域を制御チャネルとして利用するのは良いオプションであるからである。

本発明の二重スペクトラムセンサーは，上述したように，ＢＰＭ−ＢＰＳＫに対応可能に設計されている。第１の具体例では，スペクトラムセンサーは，コグニティブ無線通信システムの通信可能領域に分配される。そして，スペクトラムセンサーは，スペクトラムセンシングを行う一方で，同時に通信（送受信）も行う。このようにすることで，スペクトラムセンシングのセンシング情報を供給するために必要な待ち時間を最短にとどめることが可能となる。

また，スペクトラムセンサーでは，センシング期間において，以下に示すスペクトラムセンシングの複数のスキームのうちのいずれかを行うことが可能である。

スキームの１つは，時間結合（タイムボンディング）である。この場合，信号のバーストの間でスペクトラムセンシングが行われる。このときのスペクトラムセンシングは，信号の受信と並列的に行われる。ここで，データレートが低い場合には，図３に示すように，保護時間Ｔ_GI内にスペクトラムセンシングを十分に行うことができる。そして，残りの時間は通信にあてることができる。

スキームのもう１つは，継続センシングである。この場合，通信パケットのバーストと，空き時間との間でスペクトラムセンシングを行う。この継続センシングは，例えば，同期処理中や時刻情報取得中に実行することが可能である。スキームの別の１つは，スケジュールされたセンシングである。この場合のスペクトラムセンシングは，制御信号などの無線信号の送受信と協調するようにスケジューリングされるとともに，他のピアのスペクトラムセンサーと連携するようにスケジューリングされた状態で実行される。

第２の具体例では，無線通信システムにおいて，複数のコグニティブ無線端末が，協調センシング／協働センシングを行う。無線通信端末は，外部の無線信号に基づいて協調要求がなされている場合，協調可能な周波数帯域（単数又は複数）を特定して，特定の周波数帯域に関する特定のセンシング情報をスペクトラムセンサーに要求する。

この場合，二重スペクトラムセンサーは，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ．のＵＷＢ ＰＨＹの標準規格に準拠しているので，要求された周波数帯域に応じて，コグニティブ無線の前方端の切り換えを行う。そして，その前方端の下流側（背面側）において支援的にディジタル信号処理を行う。このように，第２の具体例においても，無線通信の複雑度を非常に低く抑えることができる。

上述した態様や具体例によれば，スペクトラムセンサー１は，無線通信システムにおいて，スペクトラムセンシングを行うスペクトラムセンシング機能に対応するスペクトラムセンシングモードと，他の無線通信デバイスとの間でデータの送受信を行うための通信機能に対応する通信モードとの間で，動作モードを切り替えることができる。特に，本態様では，この動作モードの切り替えを，コントローラー５１による制御によって，超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）のシンボル期間中に行うことができる。このため，スペクトラムセンシングの期間を有効に利用して，他の無線通信デバイスから情報を受信したり，情報を送信したりすることが可能となる。特に，スペクトラムセンサー１は，センシングシグナルを処理している間であっても，通信機能を発揮することができる。このため，本態様によれば，スペクトラムセンシング機能に必要な時間を確保することができるだけでなく，通信機能に必要な時間を確保することができ，その結果，コグニティブ無線通信の通信効率を高めることができる。また，本態様に係るスペクトラムセンサー１は，インパルス型の無線超広帯域（ＩＲ−ＵＷＢ）におけるＢＰＭ−ＢＰＳＫのシグナリングを復調することが可能である。

また，上記態様によれば，スペクトラムセンサー１は，受信チェーン６０によって，通信を行うことができ，スペクトラムセンサー部７０によって，スペクトラムセンシングを行うことができる。ここで，最終的な決定に必要な出力値は，検出器２０の構成部品のうち，受信チェーン６０とスペクトラムセンサー部７０の双方に共通する部品（特には，積算・減衰器２３，２４）を共有して行われる。このため，本態様によるスペクトラムセンサー１は，複雑度が低く，小型である。また，間接コスト（オーバーヘッド）を低く抑えることができるとともに，消費電力も少なくて済む。ここで，上記部品の共有を図るために，本態様では，積分区間セレクター及び遅延セレクターを用いて積分区間及びその始点を変更している。

なお，上述した態様や具体例では，スペクトラムセンサー１が，ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａの標準規格に準拠すること（又は互換性をもつこと）を中心にして説明した。しかし，本態様に係るスペクトラムセンサー１は，他のＬＤＣタイプのシグナルを扱うことも可能である。さらには，本態様に係るスペクトラムセンサー１は，シグナルの種類によらず，どのようなシグナルであっても扱うことが可能である。ただし，シグナルの種類などに応じて，パラメーターであるｆ_a，ｆ_b1，ｆ_b2の値が適宜調整される。

また，上述した態様に係るスペクトラムセンサーは，無線通信システムにおいて独立的に配置されていてもよいし，無線通信デバイスに組み込まれていてもよいし，無線通信システムのコグニティブベースステーション（ＣＢＳ）やベースステーション（ＢＳ）に組み込まれていてもよい。

また，スペクトラムセンサーは，物理的に，コグニティブエンジン（ＣＥ）の外部に位置していてもよいし，コグニティブエンジン（ＣＥ）とともに１つのデバイス内に組み込まれていてもよく，どちらの場合であっても，本発明の二重スペクトラムセンサーを適用することが可能である。

また，上述した態様では，コグニティブ無線通信用のスペクトラムセンサー１や当該スペクトラムセンサーを用いたコグニティブ無線通信方法について説明した。しかし，本発明には，スペクトラムセンサーや無線通信方法だけでなく，スペクトラムセンサーが実行する処理に対応するプログラムや，当該プログラムを記録した記録媒体も含まれる。さらには，本発明は，無線通信に関するものであるため，本発明は，コグニティブ無線通信や，コグニティブ無線通信用のスペクトラムセンシングに限られて利用される必要はなく，他の無線通信システムや，他の用途にも適用可能である。

本発明は，無線通信などの分野で好適に利用されうる。

１ スペクトラムセンサー
１０ 受信部
１１，１２ アンテナ
１３ フィルター群
２０ 検出部
２１ 二乗回路
２３，２４ 積分・減衰器
２５ 符号変換器（インバーター）
２６，２７ 加算器
２８，２９ 決定デバイス
５０ メモリ
５１ コントローラー
６０ 受信チェーン
７０ スペクトラムセンサー部

Claims (4)

1. コグニティブ無線通信システムにおいて，多周波数帯域にわたるスペクトラムのセンシングを行うためのコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーであって，
   前記コグニティブ無線通信システムは，
   コグニティブ無線通信が可能な無線通信デバイスを含み，
   前記スペクトラムセンサーは，
   前記スペクトラムのセンシングを行うためのスペクトラムセンシングモードと，前記無線通信デバイスとの間で通信を行うための通信モードとを含む動作モードから選択された１つの動作モードで動作可能に構成されており，かつ，
   前記動作モードを制御するコントローラーと，
   外部から入力された無線信号が入力される二乗回路と，
   前記二乗回路からの出力値が入力される並列的に配置された第１の積分器及び第２の積分器と，
   前記第２の積分器の出力値を変換する符号変換器と，
   前記第１の積分器の出力値と，前記符号変換器によって変換された前記第２の積分器の出力値とを加算する第１の加算器と，
   前記第１の加算器に直列に接続された第１の決定デバイスと，
   前記第１の積分器の出力値と，前記第２の積分値の出力値であって前記符号変換器によって変換がなされていない出力値とを加算する第２の加算器と，
   前記第２の加算器に直列に接続された第２の決定デバイスと，
   を含み，
   前記コントローラーは，
   超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）のシンボル期間において，前記動作モードの切り替えを行うものであり，
   前記動作モードが前記通信モードである場合，前記第１の決定デバイスに，前記第１の加算器の出力値を用いた決定を行わせ，
   前記動作モードが前記スペクトラムセンシングモードである場合，前記第２の決定デバイスに，前記第２の加算器の出力値を用いた決定を行わせる，
   コグニティブ無線通信スペクトラムセンサー。
2. 前記コントローラーは，
   前記動作モードに応じて，前記積分器による積分区間及びその始点を積分区間セレクター及び遅延セレクターを用いて変更する，
   請求項１に記載のコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサー。
3. 前記シンボル期間は，通信を行うための期間と，通信を行わないための期間とを含み，
   前記コントローラーは，
   前記通信を行わないための期間において，前記動作モードを前記スペクトラムセンシングモードに切り替える，
   請求項１又は請求項２に記載のコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサー。
4. コグニティブ無線通信システムにおいて，コグニティブ無線通信を行うためのコグニティブ無線通信方法であって，
   前記コグニティブ無線通信システムは，
   コグニティブ無線通信が可能な無線通信デバイスと，
   多周波数帯域にわたるスペクトラムのセンシングを行うためのコグニティブ無線通信用スペクトラムセンサーと，
   を含み，
   前記スペクトラムセンサーは，
   前記スペクトラムのセンシングを行うためのセンシングモードと，前記無線通信デバイスとの間で制御信号の送受信を行うための送受信モードとを含む動作モードから選択された１つの動作モードで動作可能に構成されており，かつ，
   前記動作モードを制御するコントローラーと，
   外部から入力された無線信号が入力される二乗回路と，
   前記二乗回路からの出力値が入力される並列的に配置された第１の積分器及び第２の積分器と，
   前記第２の積分器の出力値を変換する符号変換器と，
   前記第１の積分器の出力値と，前記符号変換器によって変換された前記第２の積分器の出力値とを加算する第１の加算器と，
   前記第１の加算器に直列に接続された第１の決定デバイスと，
   前記第１の積分器の出力値と，前記第２の積分値の出力値であって前記符号変換器によって変換がなされていない出力値とを加算する第２の加算器と，
   前記第２の加算器に直列に接続された第２の決定デバイスと，
   を含み，
   前記方法は，
   前記コントローラーが，
   超広帯域用の物理層（ＵＷＢ ＰＨＹ）のシンボル期間において，前記動作モードの切り替えを行い，
   前記動作モードが前記通信モードである場合，前記第１の決定デバイスに，前記第１の加算器の出力値を用いた決定を行わせ，
   前記動作モードが前記スペクトラムセンシングモードである場合，前記第２の決定デバイスに，前記第２の加算器の出力値を用いた決定を行わせる，
   コグニティブ無線通信方法。

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