JP5674115B2 - コグニティブ無線通信方法 - Google Patents

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Description

本発明は、メッシュネットワーク、又はアドホックネットワークにおいてコグニティブ無線通信を行う上で特に周波数の割り当てや、ネットワークのエントリー等を好適に行うことが可能なコグニティブ無線通信方法に関するものである。
アナログテレビからデジタルテレビへの移行に伴い、ある程度の周波数が開放されてそれらの周波数帯域が移動通信に使用されるようになっている。特に、新しい通信サービスや様々なアプリケーションが次々に実用化されている昨今において、この無線帯域の割り当ては細分化され、複雑なものとなっている。このようにして割り当てられた各通信サービスが無線帯域において混在している中で、更に新たな通信サービスをこの無線帯域に割り当てるのは徐々に困難になりつつある。
近年において周波数の有効利用しつつ無線通信を行う方法としてコグニティブ（Cognitive）無線通信技術が近年において注目されている。コグニティブ無線通信とは、限定された周波数リソースを再活用してより効率的に周波数リソースを使用する技術である。即ち、コグニティブ無線通信によれば、セカンダリネットワークに属するデバイスは、プライマリネットワークにおいて使用されていない周波数リソースを周期的または非周期的にセンシングして使用可能な周波数リソースを認知し、認知された使用可能な周波数リソースを利用してデータを送受信するものである。
コグニティブ無線では、もともとある通信帯域を使用する優先ネットワーク（プライマリネットワーク）と、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うコグニティブシステム(セカンダリネットワーク)が存在する。基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行う。セカンダリネットワークは、上述したプライマリネットワークとしてのテレビシステムに割り当てられている周波数を使用することが前提となる。この中でも、特にこのセカンダリネットワークでは、自身が判断して周波数を利用して通信を行うデバイスがあり、例えば自らの位置情報と、当該位置において利用可能なプライマリネットワークの周波数に関する情報を取得することができるデバイスがある。また、このセカンダリネットワークでは、このような位置情報やプライマリネットワークの周波数情報を取得することができない場合には、他のデバイスによる制御の下で通信を行うものもある。
コグニティブ無線通信では、以下の手順により通信を行う。先ず、セカンダリネットワークは、プライマリネットワーク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。次に、セカンダリネットワークは、自システムに属するデバイスによる通信によりプライマリネットワークの各デバイスが通信を行う上で干渉を与えないか否かを確認し、問題ないと判断した場合には、上記検出した周波数帯域又は時間により無線通信を行う。
特に、メッシュネットワーク、又はアドホックネットワークにおけるコグニティブ無線通信を行う上で、そのネットワークの制御並びに操作を行う上で制御情報を送受信を行うことは非常に有効な手段である。制御情報をネットワーク上で送受信する場合、例えば非特許文献１に示すように、通常使用されているチャネルを使って行われる。しかしながら、このような非特許文献において提案されている方法では、ハードウェア資源並びに周波数資源の観点から費用対効果の面において改善の余地があった。
また、互いに共通の有効チャネルを共有する隣接するメッシュノードによって体系化されるメッシュクラスターの概念も提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、メッシュクラスターを体系化し、また維持するのは困難であるという問題点があった。
いくつかの他の研究においては、仮に制御情報を送受信するチャネルが重複した場合に、チャネルをランダムに切り替えたり、２つの隣接するノード間でネゴシエーとする技術も提案されている（非特許文献３参照。）。しかし、当該技術では、チャネルの数が増えた場合に効果的ではなくなるという問題点があった。
Kaveh Ghaboosi,Matti Latva-aho,Yang Xiao " A Distributed Multichannel Cognitive MAC Protocol for IEEE 802.11s Wireless Mesh Network",CROWNCOM2008,May 2008,Singapore,pp.1-8 Tao Chen,Honggang Zhang,Maggio G,M.,Chlmatac,I.,"CogMesh:A Cluster-Based Cognitive Radio Network",DySPAN 2007,April 2007,Dublin,pp,168-178 Chunsheng Xin,Liangping Ma,Chien-Chung-Shen,"A Disributed Adaptive Channel Assignment Algorithm for Dynamic Spectrum Access Mesh Networks",ChinaCom 2008,August 2008,Hangzhou,China,pp.1178-1182.
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、メッシュネットワーク、又はアドホックネットワークにおいてコグニティブ無線通信を行う上で特に周波数の割り当てや、ネットワークのエントリー等を好適に行うことが可能なコグニティブ無線通信方法を提供することにある。
本発明者らは、ＭＡＣ(Medium Access Control)プロトコル、並びにＴＤＭＡ（Time-Division-Multiplexing Access）を採用するメッシュネットワーク、又はアドホックネットワークを用いて上述した課題の解決を試みた。
コグニティブ無線通信環境において、コグニティブメッシュネットワーク、又はアドホックネットワークは、制御情報を送受信するためのチャネルアクセス方法において問題点があった。周波数チャネルは、有効であるが、チャネルアクセスのための好ましいアルゴリズムが無い場合には、メッシュネットワーク、アドホックネットワークの各ノードは、制御情報を送受信するための周波数チャネルを用いることができない。メッシュネットワーク内、又はアドホックネットワーク内において制御情報を送受信する上でチャネルアクセスのためのネゴシエーション方法が求められていた。
本発明においては、各制御スロットにおいて制御情報を送受信するためにアクセスする周波数チャネルが制御スロットのスロット番号に基づくものとしている。このスロット番号は、コグニティブ無線通信システム内において共通のシステム時間に基づいている。全てのメッシュノード又はアドホックノード、或いはデバイスは、共通のシステム時間を共有する。全てのメッシュノード又はアドホックノードがアクセスを試みる周波数チャネルは共通である。そして、制御情報の送信は、同一周波数チャネルを使用し、隣接する他のノード又はデバイスによって受信されることになる。
請求項１記載のコグニティブ無線通信方法は、コグニティブ無線通信システムを構成するプライマリネットワークにおける周波数チャネルの割り当てる際に、チャネル用帯域を分割して低い順から、チャネルＣ0〜チャネルＣNc-1までチャネル番号が付された上記周波数チャネルに割り当て、（ここでＮcは、プライマリネットワークの周波数チャネルの総数）コグニティブ無線通信システムを構成するノード又はデバイスにより、同一周波数チャネルで互いにアクセスを試み、各チャネル番号は、以下の計算式より求め、チャネル番号＝Inx MOD Total_ch、ここで、Inxは、制御スロットのスロット番号、Total_chは、周波数チャネルの数、求めたチャネル番号が有効である場合には、上記ノード又はデバイスは当該チャネル番号でアクセスを試みることを特徴とする。
（ここでＮcは、プライマリネットワークの周波数チャネルの総数）
請求項２記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１記載の発明において、コグニティブ無線通信システムにおいて伝送されるＭＡＣフレームの制御スロットへのスロット番号の割り当てる際に、当該コグニティブ無線通信システムを構成する各ノード間及び／又は各デバイス間で互いに共有する共通のシステム時間に基づいて、上記制御スロット毎にスロット番号を割り当てることを特徴とする。
請求項３記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記ノード又はデバイスにより、隣接するノードの数として定義されるチャネル有効度に基づいて、上記アクセスを試みることを特徴とする。
請求項４記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項３記載の発明において、上記制御スロットに、情報を送受信するビーコンが割り当てられている場合には、上記ノード又はデバイスにより、アクセスする上で有効な周波数チャネルをランダムに選択し、上記制御スロットにおいて既に帯域が割り当てられていた場合には、上記ノード又はデバイスにより、上記チャネル有効度の最大値を持つ有効な周波数チャネルでアクセスし、いくつか有効な周波数チャネルがある場合には、上記ノード又はデバイスにより、上記チャネル有効度がより高く、チャネル番号のより小さい周波数チャネルでアクセスすることを特徴とする。
上述した構成からなる本発明によれば、メッシュネットワーク、又はアドホックネットワークにおいてコグニティブ無線通信を行う上で特に周波数の割り当てや、ネットワークのエントリー等を好適に行うことが可能となる。
本発明を適用したコグニティブ無線通信システムの構成を示す図である。 プライマリネットワークにおける周波数チャネルの割り当て方法について説明するための図である。 制御スロットへのスロット番号の割り当て方法について説明するための図である。 本発明例と比較例の隣接物数の比率で表されるゲインの結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１の構成を示している。ちなみに図１(a)は、コグニティブ無線通信システム１を網目状に配列されたノード１２、これらノード１２にアクセスを試みるＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯情報端末等で構成されるデバイス１１とを備えた、いわゆるメッシュネットワークである。図１(b)は、デバイス１１間で通信を行うアドホックネットワークである。
このコグニティブ無線通信システム１は、もともとある通信帯域を優先的に使用するプライマリネットワークと、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うセカンダリネットワークが存在する。即ち、このセカンダリネットワークは、正式な規格において未だ認可されていないものであり、あくまでプライマリネットワークにより使用されていない周波数帯域を選択的に使用して通信を行うものである。
基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行うことが前提となる。ちなみに、このコグニティブ無線通信システム１では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｆの規定の下で、図示しない電波塔からテレビジョン受像機に向けてテレビジョン用の電波が放射されていることが前提となる。
次に、このようなコグニティブ無線通信システム１の動作について図面を参照しながら詳細に説明をする。
先ず、コグニティブ無線通信システム１を構成するプライマリネットワークにおける周波数チャネルの割り当てを実行する。この周波数の割り当ては、例えば、図２に示すように、割り当てられたチャネル用帯域を分割して低い順から、チャネルＣ0〜チャネルＣNc-1までチャネル番号が付された周波数チャネルに割り当てる。ここでＮcは、プライマリネットワークの周波数チャネルの総数を示す。
次に図３に示すようなＭＡＣフレーム３における制御用サブフレーム３１において細かく分割されている制御スロット４１へのスロット番号の割り当て方法について説明をする。このＭＡＣフレーム３は、ＭＡＣプロトコルによって規定されるものであって、制御用サブフレーム３１とデータ用サブフレーム３２とからなるフレーム構造で構成される。各サブフレーム３１、３２は、更にスロットに細かく分割されている。制御用サブフレームを構成する制御用スロット４１において、制御情報が記述され、実データに対応するデータパケットは、データサブフレームにおいて記述される。無線通信デバイスのハードウェア資源、並びに周波数資源を保持するために、ネットワーク内において通常の有効な制御チャネルは設けられていない。
本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１では、全てのメッシュにおけるノード１２やデバイス１１は、共通のシステム時間を共有する。実際には、この共有しているコグニティブ無線通信システム１のシステム時間に基づいてかかる制御スロット毎へスロット番号を割り当てる。このとき、互いに相違するタイプの制御スロットには互いに異なるスロット番号を割り当てる。
例えば、制御スロットは、ビーコンメッセージの伝達のために用いられるものは、[Ｓb0、Ｓb1、Ｓb2、・・・]と定義され、また、周波数割り当てのためのメッセージのために用いられるものは、[Ｓa0、Ｓa1、Ｓa2、・・・]と定義されている。
次に、コグニティブ無線通信システム１を構成するネットワークの各ノード１２又はデバイス１１は、同一周波数チャネルで互いにアクセスを試み、各チャネル番号は、以下の計算式より求められる。
チャネル番号＝Inx MOD Total_ch
ここで、Inxは、制御スロットのスロット番号、Total_chは、プライマリネットワークにおける周波数チャネルの数。
求めたチャネル番号が有効である場合には、上記各ノード１２又はデバイス１１は当該チャネル番号でアクセスを試みる。
なお、これからアクセスしようとする各ノード１２又はデバイス１１は、このときチャネル有効度に基づいて上述のアクセスを試みるようにしてもよい。ここでいうチャネル有効度とは、直接隣接するノードの数として定義される。
また、コグニティブ無線通信システム１を構成するネットワークの各ノード１２又はデバイス１１は、制御スロットが、情報を送受信するビーコンのために割り当てられたものである場合には、アクセスする上で有効な周波数チャネルをランダムに選択するようにしてもよい。
また、これからアクセスしようとする各ノード１２又はデバイス１１は、制御スロットにおいて既に帯域が割り当てられていた場合に、チャネル有効度の最大値を持つ有効な周波数チャネルでアクセスするようにしてもよい。
また、これからアクセスしようとする各ノード１２又はデバイス１１は、いくつか有効な周波数チャネルがある場合には、チャネル有効度がより高く、チャネル番号のより小さい周波数チャネルでアクセスするようにしてもよい。
本発明は、メッシュネットワーク又はアドホックネットワークで構成されるコグニティブ無線通信システム１であって、ＭＡＣプロトコル、並びにＴＤＭＡを採用するが、以下の本発明例では、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄのメッシュネットワークを採用する場合を例にとり説明をする。
コグニティブなＩＥＥＥ８０２．１６ｄのメッシュネットワークのアプリケーションにおけるアルゴリズムの機能を評価する上で重要なパラメータは、周波数チャネルの割り当てのための制御情報を受信する隣接物（ノード１２、デバイス１１を含む）の数の平均である。仮に帯域の制御情報が、より多くの隣接物によって受信された場合、データ送信時の衝突は減らすことが可能となる。
ここで非特許文献２に示すようなメッシュクラスターを比較例として挙げる。本発明例、比較例ともに、隣接物から制御情報を受信する上でのゲインを取得する。ゲインは、周波数割り当てのための制御情報を受信する隣接物の数についての、本発明例、比較例の比率として定義される。
図４は、本発明例と比較例の隣接物数の比率で表されるゲインの結果を示している。この図４によれば、全てのケースにおいてゲインは１以上となっている。かかる点の意味するところは、本発明例を用いることにより、比較例と比較した場合により優れたアルゴリズムの機能を発揮することが分かる。
１ コグニティブ無線通信システム
３ ＭＡＣフレーム
１１ デバイス
１２ ノード
３１ 制御用サブフレーム
４１ 制御スロット

Claims (4)

  1. コグニティブ無線通信システムを構成するプライマリネットワークにおける周波数チャネルの割り当てる際に、チャネル用帯域を分割して低い順から、チャネルＣ0〜チャネルＣNc-1までチャネル番号が付された上記周波数チャネルに割り当て、
    （ここでＮcは、プライマリネットワークの周波数チャネルの総数）
    コグニティブ無線通信システムを構成するノード又はデバイスにより、同一周波数チャネルで互いにアクセスを試み、各チャネル番号は、以下の計算式より求め、
    チャネル番号＝Inx MOD Total_ch、
    ここで、Inxは、制御スロットのスロット番号、
    Total_chは、周波数チャネルの数、
    求めたチャネル番号が有効である場合には、上記ノード又はデバイスは当該チャネル番号でアクセスを試みること
    を特徴とするコグニティブ無線通信方法。
  2. コグニティブ無線通信システムにおいて伝送されるＭＡＣフレームの制御スロットへのスロット番号の割り当てる際に、
    当該コグニティブ無線通信システムを構成する各ノード間及び／又は各デバイス間で互いに共有する共通のシステム時間に基づいて、上記制御スロット毎にスロット番号を割り当てること
    を特徴とする請求項１記載のコグニティブ無線通信方法。
  3. 上記ノード又はデバイスにより、隣接するノードの数として定義されるチャネル有効度に基づいて、上記アクセスを試みること
    を特徴とする請求項１又は２記載のコグニティブ無線通信方法。
  4. 上記制御スロットに、情報を送受信するビーコンが割り当てられている場合には、上記ノード又はデバイスにより、アクセスする上で有効な周波数チャネルをランダムに選択し、
    上記制御スロットにおいて既に帯域が割り当てられていた場合には、上記ノード又はデバイスにより、上記チャネル有効度の最大値を持つ有効な周波数チャネルでアクセスし、
    いくつか有効な周波数チャネルがある場合には、上記ノード又はデバイスにより、上記チャネル有効度がより高く、チャネル番号のより小さい周波数チャネルでアクセスすること
    を特徴とする請求項３記載のコグニティブ無線通信方法。
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