JP5747577B2 - コグニティブ無線通信システム - Google Patents

Description

本発明は、コグニティブ無線通信システムに関し、特にセカンダリシステムが増加した場合においても制御局への通信量並びに使用する帯域を節約することが可能なコグニティブ無線通信システム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。

K.B. Letaief and W. Zhang, "Cooperative communications for cognitive radio networks," Proceeding of the IEEE, Vol. 97, No. 5, May 2009 E. Peh and Y.C. Liang, "Optimization for cooperative sensing in cognitive radio networks," IEEE WCNC 2007, pp. 27-32, Hong Kong, Mar 2007 W. Zhang, R.K. Mallik, and K.B. Letaief, "Optimization of cooperative spectrum sensing with energy detection in cognitive radio networks," IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 8, No. 12, pp. 5761-5766, Dec 2009

ところで、このセカンダリネットワークによる周波数検出は、あくまでセカンダリネットワークが自ら通信を行うために空いている周波数チャネルを取得するために行うものである。しかしながら、プライマリネットワークの存在している中で、あえて空の周波数チャネルを取得できる可能性は、特にセカンダリネットワークの増大に伴って低下する。このため、かかるセカンダネットワークによるチャネル取得可能性は、セカンダリユーザ間で互いに協調することで大幅に改善することができる（例えば、非特許文献１参照。）。

セカンダリネットワークの数が多い場合において、もしそれぞれのセカンダネットワークが、各タイムスロットにおいてその周波数チャネルの検出結果を通知した場合に、互いに強調して行う周波数検出動作の時間は必然的に長くなってしまう。そして、制御局に検出結果の通知が集中する結果、かかる制御局の動作が複雑化し、また各セカンダリネットワークに周波数チャネルを割り当てると膨大な帯域幅が必要になる。これは、システム全体で必要になる通信量、エネルギー並びに使用する帯域幅の浪費にもつながる。

これに対して、実際に周波数検出の精度や効率は、より多くのセカンダネットワークからの情報の通知が無くてもそれほど影響を受けない点も報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。この非特許文献２の開示技術では、逆に多くのセカンダリユーザからの情報の通知が無くても検出能力を向上させることができる点が示されている。また、検出結果を制御局に通知する上で、セカンダリシステムの作業パートを分担することによりエネルギーや帯域幅の消費を抑えることができる点も報告されている。

更に、非特許文献３の開示技術によれば、周波数検出に強調的なセカンダリユーザを探索するための方法が示されている。しかしながら、周波数検出に強調的なセカンダリユーザの最適数を直接的に選択する方法は特に開示されていない。

非特許文献２の開示技術では、全てのセカンダリネットワークに対して、プライマリユーザから受信した信号のＳＮ比を制御局に通知することを要求しているが、セカンダリシステムの数が大きいときにおける周波数帯域検出の通知に関する問題点は、上述のとおりである。

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、特にセカンダリシステムが増加した場合においても制御局への通信量並びに使用する帯域を節約することが可能なコグニティブ無線通信システム及び方法を提供することにある。

本発明は、上述した課題を解決するために、システム全体を制御する制御局と、優先的に無線通信を行うプライマリシステムと、上記プライマリシステムにおける無線通信を妨害しないように自らの無線通信を行うために、プライマリシステムの存在の有無を検出して、その検出結果を上記制御局に通知する複数のセカンダリシステムとを備え、上記制御局は、上記プライマリシステムの存在を周波数を介して検出する上で互いに協調して周波数検出不能なセカンダリシステムを随時特定して、特定した上記セカンダリシステムからの上記検出結果の通知を受け付けないこととし、その際に、上記互いに協調して周波数検出可能なセカンダリシステムの数の上限を決定する上で、当該周波数検出を行う上でのエラー可能性ε_dを下記式に基づいて求め、ＳＮ比の閾値であるγ_Tは、下記式ε_dの最大許容範囲に基づいて決定し、決定した上記ＳＮ比の閾値γ_Tに基づいて、上記セカンダリシステムの数の上限を決定すること
Ｎ：セカンダリシステムの数、λ：エネルギー閾値、ｆ（γ）：ＳＮ比の確率密度関数
を特徴とするコグニティブ無線通信システム。

上述した構成からなる本発明によれば、特にセカンダリシステムが増加した場合においても制御局への通信量並びに使用する帯域を節約することが可能となる。

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例を示す図である。 節約される帯域幅並びにエネルギーと、セカンダリシステムの数の関係を解析した結果を示す図である。 ＳＮの閾値と、セカンダリシステムの数の関係を解析した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。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システム１０と、プライマリシステム１０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複数のセカンダリシステム２０と、コグニティブ無線通信システム１全体を制御する制御局３０とを備えている。即ち、このセカンダリシステム２０は、あくまでプライマリシステム１０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システム１０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。セカンダリシステム２０は、プライマリシステム１０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。

プライマリシステム１０は、基地局１２と、基地局１２にアクセス可能なデバイス１１とを備えている。

デバイス１１は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ（ノートＰＣ）や、携帯電話等を初めとした各種携帯情報端末等で構成される。このデバイス１１は、少なくとも基地局１２との間で無線通信を行うことができ、更には基地局１２を介して他のデバイス１１との間で無線パケット通信を行うことができる。

基地局１２は、デバイス１１から送信されてくるビーコンを取得し、またデバイス１１との間でリンクを確立するために、これらを互いに同期化させる役割を担う。また、この基地局１２は、図示しないテレビジョン受像機に対して割り当てた周波数チャネルを利用し、電波を送信する。

複数のセカンダリシステム２０も同様に自己のネットワーク内において基地局としての役割を担うコーディネータと、通信を行うデバイスとを備えている。

仮にこのようなセカンダリシステム２０に着目した場合において、プライマリシステム１０が使用していない周波数帯域のチャネルを使用し、或いはプライマリシステム１０が無線通信を行っていない時間帯において無線通信を行う。

本発明では、複数のセカンダリシステム２０からプライマリシステム１０における無線通信を妨害しないように自らの無線通信を行うために、そのプライマリシステム１０の存在の有無を検出する。このとき、当該プライマリシステム１０の存在を検出する上で、セカンダリシステム２０間で互いに協調して検出結果を制御局３０へ報告する。しかしながら、他のセカンダリシステム２０間で互いに協調して検出結果を報告することができないセカンダリシステム２０が存在していた場合には、当該セカンダリシステム２０を随時特定する。そして、制御局３０は、その特定した互いに協調して検出結果を報告することができないセカンダリシステム２０からの検出結果の通知を受けないように制御する。

具体的には、このセカンダリシステム２０において、プライマリシステム１０の存在を検出したときのＳＮ比が、予め設定されたＳＮ比の閾値よりも高い場合に１ビットの信号で構成される検出報告を制御局３０に送信し、プライマリシステム１０の存在を検出したときのＳＮ比が、予め設定されたＳＮ比の閾値以下の場合に１ビットの信号で構成される検出報告を制御局３０に送信しないこととする。制御局３０において、セカンダリシステム２０から検出報告を受信しなかった場合には、当該セカンダリシステム２０がプライマリシステム１０の存在を検出しなかった旨を識別する。

本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１において、互いにセカンダリシステム２０間で互いに強調して周波数検出を行う場合、仮にセカンダリシステム２０の数が多い場合には、制御局３０に検出結果を各セカンダリシステム２０から逐次報告することになれば、検出結果の通知が集中する結果、かかる制御局の動作が複雑化し、また各セカンダリシステム２０に周波数チャネルを割り当てると膨大な帯域幅が必要になり、検出通知とトータルの時間が非常に長くなってしまう。

このため、本発明では、ＯＲルールの下で、許容範囲内における周波数チャネル検出能力の低下を容認しつつ、あくまでセカンダリシステム２０が増加した場合においても制御局３０への通信量並びに使用する帯域を節約を可能とするものである。つまり、周波数検出結果を通知するセカンダリシステム２０の数を抑制するものである。

このとき、周波数検出結果を通知するセカンダリシステム２０の数の抑制は、周波数チャネル検出を行う際に、互いに強調して周波数検出を行うことが不能なセカンダリシステム２０を削除することにより行う。このとき、以下の方法により、プライマリシステム１０の検出信号についてＳＮ比の閾値を設定する。

先ず互いに強調して周波数検出を行うために、周波数検出結果を制御局３０へ通知するセカンダリシステム２０の数の上限を決定する。これは、本発明を適用した周波数検出を行う上でのエラー可能性の最大許容範囲にも対応したものである。ここでいうエラー可能性は、周波数検出の機会損失と、互いに強調して制御局３０に対して周波数検出結果を伝送することに関する損失（以下、伝達損失という。）の合計として定義される。

ここで、本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１において、上述のＯＲルールと周波数エネルギー検出とが実行された場合において、互いに協力的に検出通知を行うＮ個のセカンダリシステム２０は、プライマリシステム１０の存在の検出有無を１ビットの信号で制御局３０へ送信する。周波数検出後の各タイミングにおいてかかる信号を送信するのであれば、上述したエラー可能性は下記（１）式で与えられる。

・・・・・・・・・・・(1)

ここでi＝１、２、・・・・Nはセカンダリシステム２０のインデックス番号であり、p_m,iは、検出機会損失のであり、p_f,iは、伝達損失である。ここでプライマリシステム１０のＳＮ比が密度関数f(γ_i)で与えられたとき、これらは下記式（２）、（３）で与えられる。

・・・・・・・・・・・(2)

・・・・・・・・・・(3)

ここでλ_iは、エネルギーの閾値であり、γ_iは、i番目のセカンダリシステム２０によって検出されたプライマリシステム１０のＳＮ比である。ｕは、時間−帯域幅を検出する因子であって、単純化するためのパラメータである。Γ(・)と、Γ(m,x)=∫_x∞t^m-1e^-tdtは、完全ガンマ関数と、不完全ガンマ関数である。

また下記の式（４）は、MarcumのQ関数である。ここでI_m-1(・)は、ベッセル関数の変形であり、m-1のオーダーである。

・・・・・・・・・・・(4)

ＯＲルールにおいては、一のセカンダリシステム２０又は多くのセカンダリシステム２０がプライマリシステム１０を検出した結果、１ビットの信号で“１”を制御局３０に通知した場合において、制御局３０は、仮説“Ｈ１”（プライマリシステム１０の検出が行われた旨）を決定する。それ以外の場合において、制御局３０は、“Ｈ０”（プライマリシステム１０の検出が行われなかった旨）の仮説を決定する。

本発明において、プライマリシステム１０のＳＮ比の閾値（γ_T）を設定する。ＯＲルール並びに周波数検出フェースにおいて、セカンダリシステム２０において検出したプライマリシステム１０のＳＮ比がγ_Tよりも高い場合のみにおいて周波数検出を行い、その後の期間においてセカンダリシステム２０は、制御局３０に対して１ビットで構成される検出結果の通知を行う。それ以外では、制御局３０に対する検出結果の報告を行わない。１ビットで構成される検出結果の通知が制御局３０に対して行われなかった場合、かかる制御局３０は、かかる検出期間において、セカンダリシステム２０においてプライマリシステム１０の検出が行われなかった旨の判定“０”であることを判別する。エラー可能性の変化が、システムが許容できる上限より低いため、ＳＮＲの閾値γ_Tが選択されることとなる。

本発明において、Ｈ０の仮説においては、プライマリシステム１０による信号検出は行われないため、プライマリシステム１０自身が通信を行っていないことが前提となる。このため、伝達損失は、ＳＮ比とは関係が無い。伝達損失の可能性はi番目のセカンダリシステム２０においては、式（３）によって与えられる。しかしながら、Ｈ１の場合、プライマリシステム１０が通信を行っているという前提となる。i番目のセカンダリシステム２０においてＨ１は、γ_i＞γ_TかつＥ_i＞λ_iである場合のみ、決定される。ここでＥ_iは、i番目のセカンダリシステム２０によって検出される周波数において集められるエネルギーである。本発明において提案される、受信失敗の可能性は、以下の（５）式によって与えられる。

・・・・・・・・・・・(5)

セカンダリシステム２０による制御局３０への検出報告が少なくなるにつれて、制御局３０における周波数検出のエラー可能性が悪化する。エラー可能性は、上述した伝達損失の増加に起因する。これは以下の（６）式によって与えられる。
・・・・・・・・・・・(6)

ここで全てのセカンダリシステム２０が、プライマリシステム１０のＳＮ比が同一であるものと仮定した場合に、（７）式は以下に変形される。

・・・・・・・・・・・(7)

Ｎ：セカンダリシステムの数、λ：エネルギー閾値、ｆ（γ）：ＳＮ比の確率密度関数。

即ち、この（７）式では、プライマリシステム１０の存在を検出する上で互いに協調して検出不能なセカンダリシステム２０を排除する際に、互いに協調して検出可能なセカンダリシステム２０の数の上限を決定する上で、当該周波数検出を行う上でのエラー可能性ε_dの最大許容範囲に基づくものとし、上記ＳＮ比の閾値はγ_Tは、上記ε_dに基づいて決定されるようにしている。

本発明では、プライマリシステム１０におけるＳＮ比の確率密度関数ｆ（γ）、制御局３０にけるエラー可能性の許容できる減少幅ε（例えばエラー可能性の上限）、セカンダリシステム２０の数Ｎ、エネルギー閾値λ、が知られている状況下でＳＮ比の閾値γ_Tを探索するために使用することができる。

エネルギー閾値λは、各セカンダリシステム２０が最小のエラー可能性であるという前提の下で、付加的な検出を仮定することによって探索される。
本発明において、提案されたスキームを評価するために使用されるメトリクスは、検出結果として、規格化された節約されるエネルギーと波長であり、以下の（８）式で与えられる。

・・・・・・・・・(8)

即ち、このＳＮ比の確率密度関数ｆ（γ）の式（８）によって得られるｐに基づいて、上述した通信を評価するメトリクスを提供するようにしてもよいことは勿論である。

以下、本発明の実施例について、数値解析を例にとり説明をする。レイリーによって与えられたチャネルを仮定し、エネルギー閾値λが理想的な周波数検出を可能とする値（最小エラー可能性が達成される値）であるものと仮定する。レイリーによって与えられたチャネルにおいてプライマリシステム１０のＳＮ比の確率密度は、以下で与えられる。

・・・・・・・・・(9)

図２は、本発明を適用した場合において、ＯＲルールにより強調的な周波数検出を行った場合における節約された帯域幅とエネルギーを示している。プライマリシステム１０における平均ＳＮ比は、５〜１０ｄＢでセットされる。エラー可能性の変化の上限は、仮定されている。本発明を適用することにより、帯域幅とエネルギーが節約されるのが分かる。仮に１０個のセカンダリシステム２０が存在していたときに、ＳＮ比の平均（＝r_avg)が１０ｄＢであるとき、６０％以上のエネルギーや帯域幅が節約される。また５０個のセカンダリシステム２０が存在していたとき、８０〜９０％ものエネルギーや帯域幅が節約される。

図３は、プライマリシステム１０におけるＳＮ比の閾値におけるセカンダリシステム２０の数量の依存性を調査した結果を示している。この図３では、プライマリシステム１０のＳＮ比の平均とエラー可能性の変化の上限をパラメータとしている。これらＳＮ比の閾値は、上述した説明によって述べられている傾向が示されている。

１ コグニティブ無線通信システム
１０ プライマリシステム
１１ デバイス
１２ 基地局
２０ セカンダリシステム
３０ 制御局

Claims (3)

1. システム全体を制御する制御局と、
   優先的に無線通信を行うプライマリシステムと、
   上記プライマリシステムにおける無線通信を妨害しないように自らの無線通信を行うために、プライマリシステムの存在の有無を検出して、その検出結果を上記制御局に通知する複数のセカンダリシステムとを備え、
   上記制御局は、上記プライマリシステムの存在を周波数を介して検出する上で互いに協調して周波数検出不能なセカンダリシステムを随時特定して、特定した上記セカンダリシステムからの上記検出結果の通知を受け付けないこととし、その際に、上記互いに協調して周波数検出可能なセカンダリシステムの数の上限を決定する上で、当該周波数検出を行う上でのエラー可能性ε _d を下記式に基づいて求め、
   ＳＮ比の閾値であるγ _T は、下記式ε _d の最大許容範囲に基づいて決定し、
   決定した上記ＳＮ比の閾値γ _T に基づいて、上記セカンダリシステムの数の上限を決定すること
   Ｎ：セカンダリシステムの数、λ：エネルギー閾値、ｆ（γ）：ＳＮ比の確率密度関数
   を特徴とするコグニティブ無線通信システム。
2. 上記セカンダリシステムは、上記プライマリシステムの存在を検出したときのＳＮ比が、予め設定されたＳＮ比の閾値よりも高い場合に１ビットの信号で構成される検出報告を上記制御局に送信し、上記プライマリシステムの存在を検出したときのＳＮ比が、予め設定されたＳＮ比の閾値以下の場合に１ビットの信号で構成される検出報告を上記制御局に送信しないこととし、
   上記制御局は、上記セカンダリシステムから上記検出報告を受信しなかった場合には、当該セカンダリシステムが上記プライマリシステムの存在を検出しなかった旨を識別すること
   を特徴とする請求項１記載のコグニティブ無線通信システム。
3. 下記ＳＮ比の確率密度関数ｆ（γ）の式によって得られるｐに基づいて、上記セカンダリシステムが検出報告を制御局に送信する際の通信を評価すること
   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システム。