JP5839608B2 - 無線通信システム及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホワイトスペースを利用した無線通信システムに関し、特に、利用する周波数の割当て技術に関する。

近年の情報化社会の進展は実に目覚しく、多くの情報通信機器やサービスにおける通信方法として、有線通信のほかに、無線通信が利用されることも多くなっている。これに伴い、有限な資源である無線周波数の需要も増加の一途をたどっており、割当て可能な周波数の枯渇が世界各国で大きな問題となってきている。一般に、周波数は国がライセンス管理を行い、ライセンスを割当てられた者だけが、特定の場所および時間において、厳格な管理の下、その周波数を利用することができる。しかし、今後も増え続けるであろう周波数需要に対応するためには、これまでの利用方法にとらわれない、新しい周波数の利用方法が求められている。

そこで近年、周波数の枯渇問題を解決するための新たな周波数の利用方法として、既に割当てられているにも関わらず、空間的、時間的に使用されない周波数帯（ホワイトスペース）を利用する方法が研究されている。例えば、ライセンスを受けている利用者（以下、「一次利用者」という。）の既存システムの周波数使用への影響を十分回避しつつ、ライセンスを受けていない利用者（以下、「二次利用者」という。）が柔軟にホワイトスペースの電波を利用するコグニティブ無線通信システムなどの研究開発が行われている（例えば、非特許文献１）。

例えば、IEEE802.22で標準化が行われている、ホワイトスペースを利用する広域無線通信（ＷＲＡＮ：Wireless Regional Area Network）システムでは、各無線局は、ＩＰネットワーク上のデータベースにアクセスすることで、自局の位置情報に基づく送信可能周波数リストと最大送信可能電力とを取得する。送信可能周波数リストは、戸別に設置される子局や携帯電話等の端末（ＣＰＥ：Customer Premises Equipment）が接続する基地局（ＢＳ：Base
Station）内のスペクトルマネージャ（ＳＭ：Spectrum Manager）によって、随時更新されながら一括管理されている。そして、ＢＳは、この送信可能周波数リストに基づき、ＢＳとＣＰＥの間で双方向に通信に利用可能な周波数を使用周波数として決定する。

また、各無線局（ＢＳおよびＣＰＥをいう、以下同様。）は、スペクトルセンシング機能を具備している。各無線局は、このスペクトルセンシングによって、決定された使用周波数が既存システム（一次利用者のシステム）によって使用されていることを検知すると、その情報をＳＭに通知する。すると、ＳＭは、送信可能周波数リストからこの周波数を除外する。ホワイトスペースを利用する無線通信システムは、このようにして時々刻々と更新される情報に基づきダイナミックなスペクトルアクセスを行うことで、一次利用者の周波数使用への影響を回避すると同時に、二次利用者の通信も実現する。

ところで、IEEE802.22では、複信方式として、時分割複信（ＴＤＤ：Time Division Duplex）のみを規定している。ＢＳとＣＰＥは、ＴＤＤによって、データ送信時には同じ周波数を用いるが、異なる送信タイミングで通信を行うことで、双方向の通信を実現する。しかしながら、ＴＤＤのみによる複信方法は、双方向の通信に同じ周波数を用いる。よって、無線局ごとに送信可能な周波数が異なる場合や、送信可能な最大送信電力が異なる場合があるホワイトスペースを利用する無線通信システムにとって、ＴＤＤは必ずしも効率的な通信方法であるとは言いがたい。例えば、一方の無線局がある周波数で大電力での送信が可能であるが、他方の無線局がその周波数では小電力での送信しかできない場合、双方向の通信品質は非対称となる。よって、このような周波数を割当ててしまうと、通信が効率的に行われなくなる。

また、一方の無線局がある周波数でデータ送信可能であるが、他方の無線局がその周波数で受信不可の場合でも、逆方向の送受信が可能な場合もある。この場合、片方向のみの送受信しか行えない片方向リンクとなるが、このような周波数は、IEEE802.22のＴＤＤでは当然のことながら利用することができない。

藤井宏治、"コグニティブ無線：電波利用のムダなくす、ホワイトスペース活用のコア技術"、[online]、リックテレコム、[平成23年6月9日検索]、インターネット 米国電気電子学会（IEEE）Computer Society編、「IEEE Std 802.22-2011 Part 22: Cognitive Wireless RAN Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications: Policies and Proceduresfor Operation in the TV Bands」、（米国）、ＩＥＥＥ標準化協会、２０１１年７月２７日

前述の通り、IEEE802.22では複信方式としてＴＤＤのみを規定しているため、片方向リンクの通信についてはIEEE802.22の規定対象外である。しかしながら、周波数資源の有効利用の観点から、片方向リンクとなる周波数であっても利用した方がよい場合もある。

ここで一般に、ＢＳは鉄塔やビルの屋上等の高い位置にアンテナが設置されることが多いが、ＣＰＥは低層の建物等、地上高の低い位置にアンテナが設置されることが多い。また、ＣＰＥは指向性アンテナをＢＳの位置に向けて設置する場合が多いが、ＢＳのアンテナはオムニアンテナを採用することが多い。そのため、ＢＳとＣＰＥが同一の送信電力で信号を送信すると、地理的に離れた位置に存在する一次利用者に対し、ＣＰＥの送信する上り信号は干渉とならない場合であっても、ＢＳが送信する下り信号がオーバーリーチして一次利用者に干渉を与えてしまうケースが想定されることから、送信電力制限はＢＳのほうが厳しい値になる可能性がある。

これに加え、たとえばIEEE802.22で想定される一次利用システムである地上波ディジタルＴＶ放送を考えた場合に、そのようなＴＶ放送では高次の変調方式を使用していることから所要電界強度が高くなっていることや、IEEE802.22ＷＲＡＮシステムのサービスエリア半径よりもＴＶ放送エリアの半径が広いケースが多いことから、ＴＶ放送エリア外であっても、ＷＲＡＮシステムの信号対干渉電力比（ＳＩＲ：Signal to Interference power Ratio）を劣化させるに十分な強度のＴＶ放送信号がＷＲＡＮサービスエリア内に存在している可能性が高い。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、ホワイトスペースを利用する無線通信システムにおいて、前記の状況、すなわちＢＳの下り送信電力の制限および一次利用システムの信号により主に下り信号の受信品質が低ＳＩＲとなることに起因して片方向のリンクしか使用できないような周波数であっても、この周波数を両方向リンクとして利用することにより、IEEE802.22ＴＤＤシステムをそのまま使用し、効率的な周波数割当てを可能にすることを目的とする。

なお、IEEE802.22では、使用する周波数の決定に当たり、一次利用者の既存システムの周波数の占有パターンや干渉電力などといった通信品質に影響を与える指標を用いることを可能としている。しかし、どのような指標をどのように用いるかはIEEE802.22の規定の範囲外としている。

前記課題を解決するために、（１）本発明の一態様では、互いに無線通信を行う送信局及び受信局を含んで構成され、ホワイトスペースを利用して前記無線通信を行う無線通信システムであって、前記受信局は、前記ホワイトスペースの第１周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第１周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、前記送信局は、前記受信局からの前記通信品質情報を受信する通信品質情報受信部と、前記通信品質情報受信部が受信した前記通信品質情報を基に、前記第１周波数を前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てる周波数割当処理部と、前記周波数割当処理部での割当て結果を前記受信局に送信する割当結果送信部と、を有することを特徴とする無線通信システムを提供できる。

（２）本発明の一態様では、前記通信品質推定部は、前記第１周波数において受信する信号に対し前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施した場合と前記干渉抑圧部による前記軽減する処理を施さない場合のそれぞれについて通信品質を推定し、その推定した各通信品質のうちの高い品質の通信品質を最終的に得るものであり、前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報を基にデータ送信が可能な周波数に決定し、その決定した周波数を前記受信局へのデータ送信の際の周波数として割当てる。

（３）本発明の一態様では、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency-Division Multiple Access）方式により前記送信局が１又は複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、前記制御情報は、前記送信局から前記受信局へのデータの送信に比べ所要ＳＩＮＲが低い変調方式で変調されるものであり、前記周波数割当処理部は、前記受信局から受信した前記通信品質情報が、前記第１周波数において干渉を受けており前記制御信号のみ受信が可能であることを示していると判断したときに、前記受信局への前記制御信号の送信の際の周波数を当該第１周波数に割当てるとともに、前記データ送信の際の周波数を当該第１周波数とは異なる第２周波数に割当てる。

（４）本発明の一態様では、ＯＦＤＭＡ方式により前記送信局が複数の前記受信局と前記無線通信を行うものであり、前記送信局は、前記制御信号と前記データを前記周波数割当処理部により割当てられた複数の周波数で同時に送信する信号送信部を有し、前記周波数割当処理部は、複数の前記受信局の夫々に対して、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐える品質であると判断すると、前記第１周波数を前記送信局からデータ送信が可能な周波数に決定し、前記通信品質情報が示す通信品質が高次の変調方式を用いてデータ通信を行うに耐えられない品質であると判断すると、前記第１周波数以外の第２周波数をデータ送信が可能な周波数に決定し、前記送信局は、前記制御信号と前記データとを前記周波数割当処理部により割当てられた前記第１周波数及び前記第２周波数で同時に送信する。

（５）本発明の一態様では、ホワイトスペースを利用して無線通信を行う無線通信システムにおいて送信局との間で無線通信を行う受信局の受信装置であって、前記ホワイトスペースの第１周波数において前記送信局が送信する信号を受信する信号受信部と、前記信号受信部が受信した信号が受けた干渉を軽減する処理を行う干渉抑圧部と、前記干渉抑圧部が処理した信号を基に、前記第１周波数を用いた通信の通信品質を推定する通信品質推定部と、前記通信品質推定部が推定した通信品質情報を前記送信局に送信する通信品質情報送信部と、を有し、前記受信局からの前記通信品質情報を基に前記送信局によって前記第１周波数が前記受信局への制御信号の送信の際の周波数として割当てられて前記送信局との間で無線通信を行うことを特徴とする受信装置を提供できる。

（１）の態様の発明によれば、ホワイトスペースを利用する際に干渉する信号を軽減し受信品質を改善することができるため、ホワイトスペースの第１周波数で下り信号が低ＳＩＲ環境下となる場合であっても該第１周波数において下り制御信号を受信可能にすることができる。これにより、（１）の態様の発明では、ＴＤＤシステムを維持したまま該第１周波数における上りリンクの利用が可能となり、システム全体の周波数の有効利用が実現可能になる。
（２）の態様の発明によれば、データ通信の際の品質を適切に評価する通信品質情報を基にデータ送信の際の周波数の割当てができるようになる。

（３）の態様の発明によれば、ＯＦＤＭＡ方式により送信局が１又は複数の受信局と無線通信を行い、制御情報が送信局から受信局へのデータの送信に比べ所要ＳＩＮＲが低い変調方式で変調されるような無線通信システムにおいて、データ送信のための周波数として制御信号を送信するホワイトスペースの第１周波数又はそれ以外の第２周波数を割当てることができるようになる。
（４）の態様の発明によれば、ＯＦＤＭＡ方式により送信局が複数の受信局と無線通信を行い、送信局が制御信号とデータを周波数割当処理部により割当てられた複数の周波数で同時に送信する信号送信部を有するような無線通信システムに適用でき、ＴＶ放送等の高次の変調方式を用いて行う通信のホワイトスペースを利用してデータ通信を行えるようになる。

（５）の態様の発明によれば、ホワイトスペースを利用する際に干渉する信号を抑圧し受信品質を改善することができるため、ホワイトスペースの第１周波数で下り信号が低ＳＩＲ環境下となる場合であっても該第１周波数において下り制御信号を受信可能にすることができる。これにより、（５）の態様の発明では、ＴＤＤシステムを維持したまま該第１周波数における上りリンクの利用が可能となり、システム全体の周波数の有効利用が実現可能になる。

本実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。 既存システムのサービスエリア半径Ｒ２と無線通信システムのサービスエリア半径Ｒ１とを比較した説明に使用する図である。 ＴＤＤフレームの割り当てパターン例を示す図である。 本実施形態に係る無線通信システムの送信局及び受信局の構成例を示すブロック図である。 ＢＳのより具体的な構成例を示す図である。 ＣＰＥのより具体的な構成例を示す図である。

本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

［無線通信システムの概要］
図１は、本実施形態に係る無線通信システムの全体構成の一例を示す図である。本実施形態に係る無線通信システム１は、ホワイトスペースを利用する無線通信システム（ホワイトスペース利用システム、二次利用システム）である。

図１に示されるように、無線通信システム１は、戸別に設置される子局や携帯電話等の無線通信端末（加入者局装置）であるＣＰＥ２１およびＣＰＥ２２と、これらの無線通信端末が接続する基地局であるＢＳ１０と、ＢＳ１０のバックホール回線３０と、インターネット４０とを含んで構成される。

また、図１に示す通信システム２は、国から周波数使用のライセンスを受けている一次利用者の放送又は通信システム（一次利用システム、以下、「既存システム」という）である。この既存システム２は、送信局５０と受信局６０とを含んで構成されている。また、既存システム２の一次利用者は、国から周波数ｆ１のライセンスを受けている。以下の説明においては、無線通信システム１において、国から周波数ｆ１の使用ライセンスを受けていない二次利用者が周波数ｆ１をホワイトスペースとして利用するものとする。

ここで、図１に示されるように、無線通信システム１は、既存システム２に対し地理的に近い位置に存在する。しかし、無線通信システム１は、既存システム２のサービスエリアから十分な離隔距離を取って無線通信システム１のサービスエリアを配置し、かつ無線通信システム１を構成する無線局の送信電力を十分小さくすれば、周波数ｆ１を用いて送信を行っても、既存システム２に干渉を与えることなく通信を行うことができる。

ただしこのとき、ＢＳ１０のアンテナは高い位置に設置されたオムニアンテナ、ＣＰＥ２２のアンテナは低い位置に設置された指向性アンテナであり、図１のような地理的配置では、ＣＰＥの送信電力よりもＢＳの送信電力を小さくしなければ既存システム２への与干渉となるため、ＣＰＥは中電力での送信が可能であり、ＢＳは小電力での送信が可能であるとする。

このとき、図２に例示されるように、既存システム２のサービスエリア半径Ｒ２が無線通信システム１のサービスエリア半径Ｒ１よりも十分広い場合、両サービスエリア間の離隔距離をＤ［ｍ］とすると、以下の例に示す関係から既存システム２の信号が無線通信システム１のサービスエリアに高い強度で存在することとなる。
［例］
Ｒ_２＝５×Ｒ_１
Ｄ＝Ｒ_１
とすると、無線通信システム１のエリア端に存在するＣＰＥと既存システム２の送信局との最短距離Ｄ_２１は、
Ｄ_２１＝Ｒ_２＋Ｄ＝５×Ｒ_１＋Ｒ_１＝６×Ｒ_１＝１．２×Ｒ_２
であり、既存システム２のエリア端における送信局からの距離Ｒ２の１．２倍となる。
一方、既存システム２のエリア端に存在する受信局と無線通信システム１の基地局との最短距離Ｄ_１２は
Ｄ_１２＝Ｒ_１＋Ｄ＝Ｒ_１＋Ｒ_１＝２×Ｒ_１
であり、無線通信システム１のエリア端におけるＢＳからの距離Ｒ_１の２倍となる。

一般に、無線通信における電波伝搬損失は、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離のＮ乗（Ｎは整数もしくは実数）に比例するとしてモデル化されることが多い（距離のＮ乗則、自由空間伝搬ではＮ＝２）。すなわち、無線通信システム１の信号が既存システム２への干渉とならないよう両システムのエリアの間に十分な離隔距離を取っても、無線通信システム１よりもサービスエリアの広い既存システム２の信号は、無線通信システム１のサービスエリア内に高い強度のまま到達することになる。

なお、周波数ｆ２については、無線通信システム１の周辺には周波数ｆ２を利用する既存システムが存在しないため、無線通信システム１の全ての無線局は大電力での送信が可能である。
そして、本実施形態では、ホワイトスペースを利用した無線通信システム１は、自己のサービスエリア内に既存システム２の信号が高い強度のまま到達することがあっても、地理的に使用可能な周波数資源を有効利用できる。

［ＴＤＤフレームの割り当てパターンの例］
ここで、図３を参照しながら、本例のＢＳ１０におけるＴＤＤフレームの割り当ての概念を説明する。本例の無線通信システム１は、IEEE802.22に準拠し、アクセス方式としてＯＦＤＭＡ（Orthogonal
Frequency-Division Multiple Access）を用いる。ＴＤＤフレームは、ＴＤＤ比が可変の下りサブフレームと上りサブフレームからなる。そして、下りサブフレームにおける各ＣＰＥへのデータ信号や、上りフレームにおける各ＣＰＥからのデータ信号は、バーストと呼ばれる単位で周波数と時間の２次元領域で配置される。このバースト（データバースト）の配置をＢＳ１０から各ＣＰＥに指示するためのＭＡＰ情報等を含む制御情報（Control）が、下りサブフレームの先頭寄りに配置される。実際には、制御情報は複数の制御バーストから構成され、それらは、データバーストに比べ所要ＳＩＮＲが低い変調方式（例えば１６ＱＡＭのデータバーストに対し、ＱＰＳＫの制御情報）で変調される。

図３（ａ）は従来通りの基本パターンの例を示し、図３（ｂ）は本実施形態に係る改善パターンの例を示している。なお、図３においても、図１で説明したように周波数ｆ１では下りの被干渉が強い状況を想定する。図３（ａ）では、周波数ｆ１において、ＣＰＥ２１への下り信号が低ＳＩＲとなり片方向リンクとなってしまうため、周波数ｆ１を使用しない。
これに対して、図３（ｂ）では、周波数ｆ１の下りサブフレームには制御情報のみを配置する。ＣＰＥ２１およびＣＰＥ２２は、周波数ｆ１でも干渉キャンセラ等により制御信号であれば受信（復号）でき、指向性アンテナ等により既存システムの与干渉も抑えながら送信できる。周波数ｆ２は、基本的には図３（ａ）と同様に利用できる。特に、周波数ｆ１と周波数ｆ２を上りのバースト伝送に利用したことで、周波数ｆ２の上りサブフレームに詰め込むバースト数を減らし周波数ｆ２の下りサブフレームで伝送する制御情報のオーバヘッドを削減できたり、サブフレームの配置に選択肢が増え全体スループットを最適化できたりする効果が期待できる。

図４は、本実施形態に係る無線通信システム１の送信局１００及び受信局２００の構成例を示すブロック図である。
図４に示されるように、無線通信システム１は、無線通信によりデータを送信する送信局１００と、送信局１００から送信されるデータを受信する受信局２００とを含んで構成される。本実施形態においては、送信局１００は図１のＢＳ１０に該当し、受信局２００は図１のＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２に該当する。なお、受信局２００は、１つでも良いが、図１に示すように複数存在しても良い。また、ホワイトスペースとして使用可能な周波数には、少なくともｆ１とｆ２の２つの周波数（チャンネル）が含まれるものとする。
以下、図４を参照しながら、送信局１００と受信局２００の構成について説明する。

［受信局２００の構成］
受信局（受信局の受信装置又は通信装置）２００は、信号受信部２０１と、干渉抑圧処理部２０２と、受信品質推定部２０３と、受信品質通知部２０４とを備える。

信号受信部２０１は、特定の周波数ｆ１（及びｆ２）において、送信局１００が送信する信号を受信する。本実施形態においては、信号受信部２０１が受信する信号は、ＢＳ１０からＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２に送信される下り信号である。信号受信部２０１で受信された信号は、干渉抑圧処理部２０２および受信品質推定部２０３に渡される。ここで、特定の周波数ｆ１とは、受信局２００の初期動作（同期確立）やスペクトルセンシング等の過程で判明した、送信局２００が送信している周波数（の１つ）である。

干渉抑圧処理部２０２は、信号受信部２０１が受信した信号に干渉する信号を抑圧（軽減）してＳＩＲ改善する処理を行う。そして、干渉抑圧処理部２０２によってＳＩＲ改善された信号は、受信品質推定部２０３に渡される。このとき、干渉抑圧処理部２０２のＳＩＲ改善方法は、繰り返し送信されるプリアンブル等の信号を累積加算するなどの信号処理による干渉抑圧方式であっても良く、マルチアンテナ信号処理による空間的な干渉抑圧方式であっても良い。

受信品質推定部２０３は、信号受信部２０１および干渉抑圧処理部２０２から渡された信号を用いて、特定の周波数ｆ１において、データの受信が可能か否かを検出する。また、本実施形態においては、受信品質推定部２０３は、特定の周波数ｆ１においてデータを受信する際に干渉抑圧を適用した場合と適用しなかった場合のそれぞれについての受信品質を推定し、品質の良い側を選択する。

具体的には、受信品質推定部２０３は、受信品質を以下のようにして判断する。すなわち、受信した信号を復調・復号し、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）符号などの誤り検出符号によって誤りが検出されなかった場合に受信可能な受信品質としても良く、各信号に含まれるパイロット信号などの既知信号を用いてＳＩＮＲを推定しＳＩＮＲが閾値以上であった場合に受信可能な受信品質としても良い。また、ＳＩＮＲの推定結果やビット誤り率の履歴を一定期間保持し、その平均値によって受信可能かどうかの判定を行っても良い。さらに、閾値を複数設け、その閾値ごとに通信品質の指標としても良く、あらかじめ記憶しておく表を参照することで通信可能な最大伝送レートを導き、これを通信品質としても良い。

また、一般に、ＣＰＥが最初に受信するＢＳからの信号は、プリアンブルや制御バースト等のブロードキャスト制御信号であるが、これら信号を基に行う受信品質推定に限定されるものではない。つまり、受信品質推定のための専用のテスト信号の受信による推定であっても良く、ビーコンなどの制御信号やブロードキャストデータ信号の受信による受信品質推定であっても良いし、他局へのユニキャストデータ信号の傍受による受信品質推定であっても良い。

受信局２００は、前記の手順により送信局１００が送信する制御信号の受信が可能と判断されれば、送信局１００（すなわちＢＳ）へネットワークエントリを順次開始し、送信局１００との間でｆ１の周波数のまま通信チャネルを確立する。

受信品質通知部２０４は、前記通信チャネルを通じ、送信局１００に受信品質情報を通知する。このとき、下りの品質が良好（受信局２００はデータの受信が可能）であると送信局１００側において判断されれば、ｆ１の周波数で上りだけでなく下りのデータ通信も行い、下り品質が中程度（受信局２００は（干渉を受けているものの）制御信号の受信のみが可能）であると送信局１００側において判断されれば、上りのデータ通信をｆ１の周波数で行い、下りのデータ通信は異なる周波数（たとえばｆ２）で行うことになる。ここで、受信品質情報は、一例としてＣＢＰ（Coexistence Beacon Protocol）バーストとして通知されうる。

［送信局１００の構成］
図４に示されるように、送信局（送信局の送信装置又は通信装置）１００は、信号送信部１０１と、受信品質情報受信部１０２と、通信品質情報保持部１０３と、周波数割当処理部１０４と、割当結果通知部１０５とを備える。

受信品質受信部１０２は、受信局２００から送信される受信品質情報を受信する。前述したように、本実施形態において、受信品質情報は受信局２００が下り信号を受信する際の通信品質である。なお、上り品質についても、送信局１００が受信品質情報を受信したときの受信品質として、送信局１００で保持するのが通常である。

通信品質情報保持部１０３は、受信局２００から送信される受信品質情報を受信して保持する。通信品質情報保持部１０３は、具体的には、例えば、複数存在する受信局２００をそれぞれ識別するための識別子（Device ID）と受信品質情報とを関連づけてデータベース等の形式にて自局のハードディスク等の記憶装置に記憶して保持する。また、受信品質情報は、通信品質を判定した周波数の情報も関連づけられて保持されても良い。

周波数割当処理部１０４は、通信品質情報保持部１０３に保持されている受信品質情報を参照して下りの制御信号の送信やデータ送信が可能な周波数を決定し、これらを受信局２００への制御信号の送信やデータ送信の際の周波数としてそれぞれ割当てる。例えば、周波数割当処理部１０４は、受信品質情報を参照して受信局２００が制御信号を受信可能と判断した場合において、ｆ１の周波数における受信局２００の受信品質が高次の変調方式（所要ＳＩＮＲが高い変調方式）を用いたデータ通信を行うに耐える品質と判断すればｆ１で下りデータ伝送も行うこととし、高次の変調方式を用いたデータ通信に耐えられないと判断すれば、その受信局２００に対しては下り制御信号の伝送のみをｆ１で行い、下りデータ伝送は品質のより良い別の周波数（たとえばｆ２）で行うこととする。その時点でｆ１以外の周波数を良好に使用していればその周波数をｆ２にでき、使用していなければ候補周波数やバックアップ周波数（チャンネル）から選定する。これらの判断及び割当ては、複数の受信局２００夫々に対して為される。つまり、ｆ１の下りサブフレームに一部の受信局２００への下りデータを配置し、残りの受信局２００への下りデータをｆ２の下りサブフレームに配置してもよい。これにより、データ通信は、上り方向及び下り方向の夫々について、上り品質及び下り品質のよりよい方の周波数に優先的に割当てられるようになる。
割当結果通知部１０５は、周波数割当処理部１０４での割当て結果を信号送信部１０１を通じて受信局２００に送信する。割当て結果は、一例として、制御情報やスーパーフレーム制御ヘッダ（ＳＣＨ）等により送信される。もし、周波数ｆ１において高次の変調方式を用いたデータ通信に耐えられない品質よりも更に悪い下り品質を示す受信品質情報を応答した受信局や、受信品質情報を応答しない受信局が存在する場合や、大多数の受信局が上り品質下り品質共に良好でない場合は、ｆ１は既存システム等から干渉を受け或いは与えている可能性が高く、或いはｆ１の有効利用が困難なため、ｆ１の使用を中止することが望ましい。

［ＢＳ１０（送信局１００）の具体的構成］
次に、図５を参照しながら、ＢＳ１０のより具体的な構成について説明する。なお、本実施形態においては、ＢＳ１０は前述した送信局１００に該当する。
図５に示されるように、ＢＳ１０は、電波を送信及び受信するアンテナ１５１と、無線信号（データ、制御情報等を含む）の送受信を行うデータ伝送部１５２と、自局全体の制御を行う主制御部１５３と、ＣＰＥ２１およびＣＰＥ２２の利用可能周波数を管理するスペクトルマネージャ（ＳＭ）１５４と、バックホール回線３０や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部１５５と、バックホール回線３０や外部装置と接続するための端子１５６とを備える。

ＳＭ１５４は、前述した通信品質情報保持部１０３と、周波数割当処理部１０４とを備える。つまり、ＳＭ１５４は、受信局２００ごとの通信品質情報を保持し、受信局２００から周波数割当ての要求があった場合には周波数割当ての処理を行う。
データ伝送部１５２は、ＲＦ部１６１と、ベースバンド（ＢＢ：Baseband）信号処理部１６２と、ＭＡＣ処理部１６３とを備える。
ＲＦ部１６１は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
ＢＢ信号処理部１６２は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。データ伝送部１５２は、同時に複数の周波数（チャンネル）でＯＦＤＭ信号を送受信できるよう、ＦＦＴサイズ可変構成或いはmulti radio構成とする。

ＭＡＣ処理部１６３は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。

また、前述した信号送信部１０１、受信品質情報受信部１０２、および割当結果通知部１０５の機能は、主制御部１５３の制御によって、アンテナ１５１およびデータ伝送部１５２が受信品質情報を受信したり、割当結果を送信したりすることで実現される。

なお、主制御部１５３は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することが可能である。また、ＢＢ信号処理部１６２、ＭＡＣ処理部１６３、およびＳＭ１５４における処理は、例えば、主制御部１５３のプロセッサがハードディスク等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

［ＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２（受信局２００）の具体的構成］
次に、図６を参照しながら、ＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２のより具体的な構成について説明する。なお、本実施形態においては、ＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２は前述した受信局２００に該当する。

図６に示されるように、ＣＰＥ２１、ＣＰＥ２２は、電波を送信及び受信するアンテナ２５１と、データの送受信を行うデータ伝送部２５２と、自局全体の制御を行う主制御部２５３と、ＢＳ１０からの信号を受信した時の通信品質の推定を行う受信品質推定部２０３と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部２５５と、外部回線や外部装置と接続するための端子２５６とを備える。
データ伝送部２５２は、ＲＦ部２６１と、ベースバンド（ＢＢ）信号処理部２６２と、ＭＡＣ処理部２６３とを備える。
ＲＦ部２６１は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換および無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。
ＢＢ信号処理部２６２は、誤り訂正符号化、復号処理、および変復調処理等を行う。

ＭＡＣ処理部２６３は、自局が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、およびデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。

また、前述した信号受信部２０１、干渉抑圧処理部２０２、受信品質推定部２０３、および受信品質通知部２０４の機能は、主制御部２５３の制御によって、アンテナ２５１およびデータ伝送部２５２が各種の信号処理やデータの送受信を行うことで実現される。

なお、主制御部２５３は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することも可能である。また、ＢＢ信号処理部２６２、ＭＡＣ処理部２６３、および受信品質推定部２０３における処理は、例えば、主制御部２５３のプロセッサがフラッシュメモリ等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

［本実施形態における効果］
以上のとおり、本実施形態によれば、ホワイトスペースを利用した無線通信システム１において、下り信号のＳＩＲが低い環境において下り制御信号を受信し、ＴＤＤシステムを適用することが可能となる。

さらに、各周波数における受信局ごとの受信品質情報（下り品質）を収集し、双方向の通信それぞれに対して効率的な周波数の割当が可能となる。具体的には、データ通信は、上り方向及び下り方向の夫々について、上り品質及び下り品質のよりよいほうの周波数に優先的に割当てるようにし、品質が良好でない周波数であっても、下り品質が中程度（制御信号を受信できる程度）確保できれば併用するようにした。これにより、下りと上りで品質が非対称になるような環境において、システム全体の周波数利用効率が改善される。

なお、本実施形態のように、ＢＳ１０が複数の周波数で送信を行うマルチチャネル方式としては、種々のものが使用でき、物理層としてはチャネルボンディングやチャネルアグリゲーション等、ＭＡＣではマルチチャネルＭＡＣ拡張等が知られる。

［本実施形態の変形例］
本実施形態の説明では、最初の使用（運用）周波数ｆ１において被干渉を察知してから運用周波数をｆ２に変更する状況を想定したが、始めから送信可能周波数リストからｆ２を選ぶことができ、その後ＣＰＥからの帯域要求に応じて（リストにない）周波数ｆ１も使用するような状況にも適用できる。その場合、ＢＳ１０は、周波数ｆ１での送信をoutband
broadcasting等により行い、各ＣＰＥがこれを受信して受信品質推定部２０３により既存システム等からの干渉の度合いを推定する。受信品質情報は、ＢＳ１０との間で通信チャネルを確立済みであればｆ１以外の周波数でも通知できる。

また、被干渉の周波数ｆ１は、近隣の既存システムが用いる周波数と同じものとして説明したが、隣接周波数からの不要輻射も干渉源になり得るため、隣接周波数の使用を控えるアプリケーションも想定される。その場合でも、ＢＳ１０は、上述の周波数ｆ１を隣接周波数に割り当てて、受信品質情報の応答を各ＣＰＥに求めることができる。
また、ＢＳとＣＰＥとの間で通信するものとして説明したが、ＢＳのチェーン接続に適用することもできる。その場合、ＢＳ１０をマスターＢＳとし、ＣＰＥ２１又は２２の少なくとも１つをスレーブＢＳと読み替えるものとする。

また、被干渉の周波数ｆ１は、端末間直接通信や異種システムとの連絡等に応用することもできる。端末間直接通信では、周波数ｆ１やｆ２の下りサブフレームで指定されたバースト配置に従い、各ＣＰＥが上りサブフレームにおいて送受信しあう。異種システムとの連絡等とは、送信可能周波数などの情報を共有したり隠れ既存システムの発見を容易にしたりするためもので、帯域外ブロードキャスト、ランデブーチャンネル等としての用途がある。
また、ＢＳ１０が被干渉の周波数ｆ１で送信する制御情報等は、下りサブフレームに複数回繰り返し配置することができ、ＣＰＥ側でこれらを加算することでＳＩＮＲを改善できる。

本実施形態に係る無線通信システム１は、IEEE802.22で規定されている無線通信システムに対して特に好適であるが、これに限定されるものではない。１つの基地局が１つの周波数（チャンネル）でしか端末にデータ送信できないようなシステムに適用する場合、本実施形態のＢＳ１０は、周波数ごとに（つまりｆ１とｆ２の夫々に対応して）基地局ＩＤを有する、同じ場所に設置された複数の基地局として振舞えばよい。

１ 無線通信システム、２ 既存システム、１０ ＢＳ、２１，２２ ＣＰＥ、３０ バックホール回線、４０ インターネット、１００ 送信局、１０１ 信号送信部、１０２ 受信品質情報受信部、１０３ 通信品質情報保持部、１０４ 周波数割当処理部、１０５ 割当結果通知部、１５１ アンテナ、１５２ データ伝送部、１５３ 主制御部、１５４ スペクトルマネージャ、１５５ インターフェース部、１５６ 端子、１６１ ＲＦ部、１６２ ベースバンド信号処理部、１６３ ＭＡＣ処理部、２００ 受信局、２０１ 信号受信部、２０２ 干渉抑圧処理部、２０３ 受信品質推定部、２０４ 受信品質通知部、２５１ アンテナ、２５２ データ伝送部、２５３ 主制御部、２５５ インターフェース部、２５６ 端子、２６１ ＲＦ部、２６２ ベースバンド信号処理部、２６３ ＭＡＣ処理部

Claims (4)

1. ホワイトスペースの周波数を利用し、基地局と複数の子局とが所定の周期で交互に送信して通信を行う無線通信方法であって、
   該複数の子局が、前記ホワイトスペースの第１周波数及び第２周波数において前記基地局が送信する信号を受信する第１ステップと、
   該複数の子局が、前記第１ステップで処理した信号を基に、少なくとも前記第１周波数を用いた下り通信品質を推定する第２ステップと、
   該複数の子局が、前記第２ステップで推定した下り通信品質情報を前記送信局に送信する第３ステップと、
   前記基地局が、該複数の子局からの前記下り通信品質情報をそれぞれ受信する第４ステップと、
   該基地局が、前記第４ステップで受信した前記下り通信品質情報を基に、該子局への制御情報と下りデータの送信を前記第１周波数と第２周波数のどちらに割当てるかを、該子局毎に決定する第５ステップと、
   該基地局が、該複数の子局から受信した信号を元に、前記第１周波数と第２周波数の少なくとも一方を用いた上り通信品質をそれぞれ推定する第６ステップと、
   該基地局が、前記第６ステップで推定した前記上り通信品質情報を基に、該子局から上りデータの送信を、前記第１周波数と第２周波数のどちらに割当てるかを決定する第７ステップと、
   該基地局が、前記第５ステップ及び前記第７ステップでの割当て結果を、前記周期毎に、前記第１周波数と第２周波数の少なくとも一方によって前記子局に送信する第８ステップと、を有し、
   前記第５ステップにおいて該基地局は、該複数の子局の夫々について、前記第１周波数での前記下り通信品質情報が高次の変調方式を用いたデータ通信を行う際に耐え得る品質の場合は、前記制御情報と前記下りデータの両方の送信を前記第１周波数に割当てられるものとし、前記第１周波数での前記下り通信品質情報が前記高次の変調方式を用いたデータ通信に耐えられない場合は、前記制御情報の送信を前記第１周波数に割当て、下りデータの送信を第２周波数に割当てられることを特徴とする無線通信方法。
2. 前記基地局と前記複数の子局は、ＴＤＤ方式により通信を行い、
   前記第８ステップで送信する前記制御情報は、該制御情報が送信される周波数における上りデータ及び下りデータの前記割当て結果を示す情報を含み、前記下りデータの送信に比べ所要ＳＩＮＲが低い変調方式で変調されるか、下りサブフレームの内で複数回繰り返し配置されて送信されることを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。
3. 前記基地局と前記複数の子局は、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal
   Frequency-Division Multiple Access）方式及びＴＤＤ比が可変である前記ＴＤＤ方式により通信を行い、
   前記制御情報が含む前記割当て結果を示す情報は、下りサブフレーム及び上りサブフレームにおける下りデータ及び上りデータの夫々のバーストの、周波数と時間の２次元領域での配置を示すＭＡＰ情報であることを特徴とする請求項２記載の無線通信方法。
4. 前記第５ステップ及び第７ステップのそれぞれの割当ては、該複数の子局毎に、上りデータ及び下りデータの夫々について、上り品質及び下り品質のよりよい方の周波数に優先的に割当てて行なうことを特徴とする請求項１記載の無線通信方法。

Images