JP6292296B2 - 周波数割り当て装置、周波数割り当て方法及び無線通信システム - Google Patents

周波数割り当て装置、周波数割り当て方法及び無線通信システム Download PDF

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Description

この発明は、周波数の共用技術に関する。
コグニティブ無線は、1つの周波数を複数のシステムで共用して利用する周波数共用技術である。近年、日本では、周波数共用技術の導入が検討されている。周波数共用技術は、例えば、テレビジョン(TV)放送周波数帯の空きチャネルを、免許不要で利用できるようにする。TV放送周波数帯の空きチャネルは、TVのホワイトスペース(TVWS:TeleVision White Space)と呼ばれている。欧米では、既に、TVのホワイトスペースを利用するシステムの制度化や標準化の作業が進められている。なお、欧米において、TV放送は1次システム、ホワイトスペースを利用する通信システムは2次システムと呼ばれる。
米国の米国連邦通信委員会は、ホワイトスペースを通信に利用する際に、割り当て装置を利用する方法を規定している。割り当て装置は、所定の伝搬モデルを用いて電界強度の計算を行い、2次システムから1次システムへの電波の与干渉があるかを判定する。割り当て装置は、2次システムを使用するユーザから2次システムの基地局の位置情報を受信し、その位置からの電波が1次システムの電波に干渉するかで、与干渉の判定を行う。2次システムを使用するユーザは、2次システムの基地局から出された電波が1次システムに干渉しないチャネル(周波数)の情報を、割り当て装置から取得することで、ホワイトスペースのチャネルを利用できる。
割り当て装置に関する技術として、どのホワイトスペースが利用可能であるかを計算する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
割り当て装置に関する技術として、基地局と受信局との間の伝搬利得を用いてホワイトスペースが利用可能であるかを判定する技術が知られている(例えば、特許文献2を参照)。
アンテナ間で通信可能な距離を、送信電力と自由空間伝搬損失などを用いて計算する技術が知られている(例えば、特許文献3を参照)。
ホワイトスペースに関する技術として、TVのホワイトスペースを、LTEが使用する技術が知られている(例えば、特許文献4を参照)。
特表2013−531437号公報 国際公開2011−132760号 特開2005−130442号公報 特表2012−516585号公報
割り当て装置は、2次システムの電波が1次システムの電波へ干渉するかの判定のために、所定の伝搬モデルを用いて2次システムの電波の伝搬距離を算出する。2次システムが出す電波の伝搬距離を実際の伝搬距離に近づけるため、伝搬モデルは、2次システムの基地局周辺の建物などの遮蔽物の影響を考慮する。しかし、建物を考慮した伝搬距離の正確な計算は難しく、膨大な計算時間を要する。
1つの側面において、本発明の目的は、遮蔽物を考慮した伝搬距離の計算を簡易化することである。
第1のシステムが使用可能な周波数の電波のうち、第1のシステムが時間的又は場所的に使用しない周波数の電波を第2のシステムが利用する通信システムにおいて、割り当て装置は、選択部、判定部を備える。選択部は、第1のシステムが使用しない周波数で第2のシステム内の発信装置から発信される発信電波が発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な距離が所定の閾値よりも大きい場合に、第1の伝搬方式を選択する。選択部は、到達可能な距離が所定の閾値よりも小さい場合に、第1の伝搬方式よりも伝搬距離が短くなる第2の伝搬方式を選択する。判定部は、選択部が選択した伝搬方式を用いて、発信電波の伝搬距離を計算し、発信装置の伝搬距離が、第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達しない場合に、第2のシステムが発信電波を利用可能であると判定する。
遮蔽物を考慮した伝搬距離の計算を簡易化することができる。
本実施携帯に係る割り当て装置の例を説明する図である。 割り当て装置のハードウェア構成の例を説明する図である。 基地局装置及び無線通信端末のハードウェア構成の例を説明する図である。 本実施形態に係る通信システムの例を説明する図である。 見通し距離の推定処理の例(その1)を説明する図である。 見通し距離の推定処理を簡易化する方法の例を説明する図である。 伝搬モデルの選択に用いられる閾値の決め方の例を説明する図である。 割り当て装置の処理の例を説明するフローチャートである。 見通し距離の推定処理の例(その2)を説明する図である。
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る割り当て装置の例を説明する図である。割り当て装置100は、2次システムの基地局周辺にある建物などの遮蔽物に関する情報を含む地図データベースを、記憶部101に予め記憶している。地図データベースに含まれる遮蔽物に関する情報は、例えば、地形情報、建物の配置、高さ、大きさなどである。また、記憶部101は、1次システムの基地局の位置、高さ、大きさ、基地局が使用する電波に関する情報などを記憶している。送受信部102は、割り当て装置が、他のシステムと通信する際のインターフェースとして用いられる。
以下に、ユーザが2次システムを利用する際の、割り当て装置内での処理を順に説明する。
(1)送受信部102は、1次システムのホワイトスペースを利用したい2次システムから、2次システムの基地局の高さ情報、位置情報、出力情報などを受信する。2次システムに関する情報は、2次システムの基地局から無線通信で送信される。また、2次システムに関する情報は、ユーザが割り当て装置100に入力してもよい。
(2)特定部103は、記憶部101から地図データベースを取得する。特定部103は、(1)で取得した2次システムの基地局の位置と高さと、地図データベースに含まれる基地局周辺の遮蔽物に関する情報を用いて、基地局を中心とした360度方向の見通し距離が最長のもの(最大見通し距離)を特定する。見通し距離は、基地局から出された電波が、地形や建物などの遮蔽物の影響を受けることなく到達可能な距離である。
(3)選択部104は、特定部103が特定した最大見通し距離を指標値として、指標値と所定の閾値とを比較することで、伝搬距離の推定に用いる伝搬モデルを選択する。選択部104は、最大見通し距離が所定の閾値よりも大きい場合、選択部104は、伝搬距離の推定に用いる伝搬モデルに、2乗減衰モデルなどの伝搬モデルを選択する。2乗減衰モデルは、電波が発信源からの距離の2乗に反比例して電波が減衰していくモデルである。
一方、最大見通し距離が所定の閾値よりも小さい場合、選択部104は、伝搬距離の推定に用いる伝搬モデルに、2乗減衰モデルよりも伝搬距離が短い伝搬モデルを選択する。2乗減衰モデルよりも伝搬距離が短い伝搬モデルは、例えば、奥村秦式カーブである。奥村秦式カーブは、郊外、中小都市、大都市で実際に測定したデータを取得し、統計的に作成された伝搬特性近似式である。奥村秦式カーブは、3.5乗減衰モデルである。奥村秦式カーブは、電波が発信源からの距離の3.5乗に反比例して減衰していくモデルであるため、2乗減衰モデルよりも伝搬距離が短い伝搬モデルである。なお、選択部104が使用する所定の閾値の求め方は、図7で説明する。
(4)計算部105は、選択部104が選択した伝搬モデルを用いて、2次システムの基地局が出す電波の伝搬距離を計算する。
(5)判定部106は、2次システムの基地局の位置情報と電波の伝搬距離を用いて、2次システムの基地局が出す電波が1次システムの電波に干渉しているかを判定する。判定部106は、2次システムの基地局が出す電波が1次システムの電波に干渉している場合、2次システムが利用できないことを示す情報を、送受信部102に通知する。判定部106は、2次システムの基地局の電波が1次システムの電波に干渉していない場合、受信した2次システムの基地局の位置で、2次システムが利用可能であることを示す情報を、送受信部102に通知する。
(6)送受信部102は、2次システム側に判定部106の判定結果を通知する。2次システムが利用可能である場合、ユーザは、2次システムの基地局を(1)で送信した位置で利用可能となる。2次システムが利用可能となることにより、例えば、2次システムを利用する無線通信端末が、2次システムの電波が到達可能な距離の範囲内で利用可能となる。
(1)〜(6)の割り当て装置の処理において、割り当て装置は、見通し距離という簡易な指標を用いることで、遮蔽物を考慮しつつ、2次システムから出された電波の伝搬距離の計算を簡易化できる。
なお、2乗減衰モデルよりも伝搬距離が短い伝搬モデルは、建物、地形による反射や回折などを計算に含めたモデルでもよい。また、2次システムの利用が増え、実測値の測定データが増えた場合には、選択部は、実測値に近似した伝搬モデルを用いてもよい。記憶部101に記憶されている地図のデータベースは、定期的に更新されてもよい。地図のデータベースは、建物が新しく作られたり、壊されたりする毎に、更新されてもよい。
図2は、割り当て装置のハードウェア構成の例を説明する図である。割り当て装置100は、プロセッサ11、メモリ12、バス15、外部記憶装置16、ネットワーク接続装置19を備える。さらにオプションとして、割り当て装置100は、入力装置13、出力装置14、媒体駆動装置17を備えても良い。割り当て装置100は、例えば、コンピュータなどで実現されることがある。
プロセッサ11は、Central Processing Unit(CPU)を含む任意の処理回路とすることができる。プロセッサ11は、特定部103、選択部104、計算部105、判定部106として動作する。なお、プロセッサ11は、例えば、外部記憶装置16に記憶されたプログラムを実行することができる。メモリ12は、記憶部101として動作し、地図データベースと1次システムに関する情報を保持する。さらに、メモリ12は、プロセッサ11の動作により得られたデータや、プロセッサ11の処理に用いられるデータも、適宜、記憶する。ネットワーク接続装置19は、他の装置との通信に使用され、送受信部102として動作する。
入力装置13は、例えば、ボタン、キーボード、マウス等として実現され、出力装置14は、ディスプレイなどとして実現される。バス15は、プロセッサ11、メモリ12、入力装置13、出力装置14、外部記憶装置16、媒体駆動装置17、ネットワーク接続装置19の間を相互にデータの受け渡しが行えるように接続する。外部記憶装置16は、プログラムやデータなどを格納し、格納している情報を、適宜、プロセッサ11などに提供する。媒体駆動装置17は、メモリ12や外部記憶装置16のデータを可搬記憶媒体18に出力することができ、また、可搬記憶媒体18からプログラムやデータ等を読み出すことができる。ここで、可搬記憶媒体18は、フロッピイディスク、Magnet-Optical(MO)ディスク、Compact Disc Recordable(CD−R)やDigital Versatile Disk Recordable(DVD−R)を含む、持ち運びが可能な任意の記憶媒体とすることができる。
図3は、基地局装置及び無線通信端末のハードウェア構成の例を説明する図である。図3の各装置は、図2と同様のハードウェアに、同じ番号を付している。基地局装置201は、プロセッサ11、メモリ12、バス15、外部記憶装置16、ネットワーク接続装置19を備える。基地局装置201は、例えば、コンピュータなどで実現されることがある。プロセッサ11は、例えば、割り当て装置100に利用可否の問い合わせをする処理を行う。メモリ12は、問い合わせをする処理で使用される処理データを適宜記憶する。ネットワーク接続装置19は、他の装置との通信に使用される。
無線通信端末202は、基地局装置201から更に、周波数切替装置20を備える。周波数切替装置20は、無線通信端末が使用する電波を、1次システムの電波の範囲と2次システムの電波の範囲で切り替える。
図4は、本実施形態に係る通信システムの例を説明する図である。割り当て装置100は、一例として、通信システム210のようにインターネットに接続して利用される。2次システムの基地局201からのシステムの利用可否の問い合わせは、コアネットワーク203に送られ、インターネットを経由して割り当て装置100に通知される。コアネットワーク201は、基地局201と他の基地局との通信に用いられる。割り当て装置100から2次システムの基地局201に利用可能である通知が来ると、基地局201は、無線通信端末202と通信可能となる。
また、割り当て装置100は、通信システム220のようにコアネットワーク203に接続して利用されてもよい。2次システムの基地局201からのシステムの利用可否の問い合わせは、コアネットワーク203を経由して割り当て装置100に通知される。割り当て装置100から2次システムの基地局201に利用可能である通知が来ると、基地局201は、無線通信端末202と通信可能となる。
図5は、見通し距離の推定処理の例を説明する図である。割り当て装置は、2次システムの基地局から位置情報を取得すると、記憶部101から地図データベースを読みだす。図5のマップ300は、2次システムの基地局と、地図情報から読み出した建物情報を用いて作成されるマップイメージである。マップ300は、縦軸を緯度、横軸を経度とし、基地局を中心に建物を配置したマップである。地図データベースは、各建物の高さ情報を含む。
断面301は、基地局を起点としたマップ300の南東方向への矢印が示す電波の伝播方向のマップを側面からみた図である。基地局を起点としたマップ300の断面では、縦軸が各建物の高さ情報を表し、横軸が基地局からの距離を表す。断面301の例では、建物が3つあり、基地局に最寄りの建物は、基地局の高さよりも低い。そのため、基地局に最寄りの建物は、基地局からの電波を遮らない。断面301の基地局側から2つ目の建物は、基地局の高さよりも高いため、基地局からの電波を遮る。従って、マップ300の矢印方向へ出される電波の見通し距離は、基地局側から2つ目の建物と基地局の距離と推定される。割り当て装置は、見通し距離の推定処理を、基地局を中心に360度行う。
図6は、見通し距離の推定処理を簡易化する方法の例を説明する図である。図5のマップ300は、実際の地図情報から、建物の配置情報を取得した場合に作成される。図6の配置図400は、マップ300をグリッド化して表した場合の建物の配置例である。配置図400において、建物は、斜線で示す四角形で示されている。配置図400において、各建物は、グリッドの枠とずれている。割り当て装置は、この各建物を、グリッドの枠にあわせ、グリッド配置図401のように建物を配置する。
グリッド配置図401において、建物は、グリッド枠にあてはめられて配置されている。割り当て装置は、各グリッド枠の中心点を建物と仮定し、基地局を中心とした見通し距離を推定する。割り当て装置は、グリッド枠の中心点を建物と仮定することで、各建物の形状や大きさなどを省いて見通し距離を推定することができる。グリッド化した地図を用いて見通し距離を推定することで、グリッド化していない地図を用いた見通し距離の計算に比べて計算量を軽減することができる。なお、グリッド幅を狭くすれば実際の建物配置に近いマップを作成することができ、見通し距離の推定精度が向上する一方、計算量は増加する。また、グリッド幅を広くしたマップは、実際の建物配置からずれがでてくるため、見通し距離の推定精度は下がるものの、計算量を軽減できる。
図7は、伝搬モデルの選択に用いられる閾値の決め方の例を説明する図である。図7のグラフは、縦軸が受信電界強度、横軸が電波の送信元からの距離であり、各伝搬モデルの距離に応じた電波の減衰曲線を示す。受信電界強度は、電波の発信元から受信した電波の送信電力の強度である。図7の例において基地局は、(Ptx)の強度で電波を発している。基地局から出された電波は、遮蔽物がない場合、曲線501に示す2乗減衰モデルように、発信源からの距離の2乗に反比例(d−2)して減衰していく。
選択部104が(3)の処理で、伝搬モデルの選択に用いる所定の閾値の算出には、まず、曲線501で示す2乗減衰モデルで基地局から出された電波が、1次システムの基地局が使用する電波に干渉する電界強度(Prx)として用いる。2乗減衰モデルは、伝搬距離が長い伝搬モデルであるため、電界強度(Prx)の電界強度を干渉条件とすることで、伝搬距離が2乗減衰モデルよりも短い伝搬モデルの電波は、1次システムが使用する電波に干渉しない。
曲線502は、伝搬距離が2乗減衰モデルよりも短い伝搬モデル(d―γ)である。選択部104は、電界強度(Prx)で、伝搬距離が2乗減衰モデルよりも短い伝搬モデル(d―γ)で衰退する電波が到達可能な距離(dγ)を所定の閾値と設定する。なお、伝搬モデル(d―γ)は、γ乗減衰モデルであることを示している。
選択部は、所定の閾値を求めることで見通し距離に応じて伝搬モデルを選択できる。見通し距離が短い場合には、電波が遮蔽物に遮られるため、割り当て装置は、電波の伝搬距離の計算に、2乗減衰モデルよりも伝搬距離が短い伝搬モデルを用いる。また、見通し距離が所定の閾値よりも大きい場合には、割り当て装置は、電波の伝搬距離の計算に、2乗減衰モデルを用いる。このようにすることで、割り当て装置は、見通し距離という簡易な指標を用いることで、遮蔽物を考慮しつつ、2次システムから出された電波の伝搬距離の計算を簡易化できる。
図8は、割り当て装置の処理の例を説明するフローチャートである。特定部103は、2次システムの基地局の位置及び高さと、地図データベースに含まれる基地局周辺の遮蔽物に関する情報などを取得する(ステップS101)。特定部103は、基地局を中心とした360度方向の見通し距離を計算し、最長見通し距離を特定する(ステップS102)。選択部104は、最大見通し距離に応じた伝搬モデルを選択する(ステップS103)。計算部105は、選択部104が選択した伝搬モデルを用いて、2次システムの基地局が出す電波の伝搬距離を計算する(ステップS104)。判定部106は、2次システムの基地局の位置情報と電波の伝搬距離を用いて、2次システムの基地局が出す電波が1次システムの電波に干渉しているかを判定する(ステップS105)。送受信部102は、2次システムの基地局にシステムが利用可能であることを通知する(ステップS105でNO)。送受信部102は、2次システムの基地局にシステムが利用できないことを通知する(ステップS105でYES)。
このようにして、割り当て装置は、見通し距離という簡易な指標を用いることで、遮蔽物を考慮しつつ、2次システムから出された電波の伝搬距離の計算を簡易化できる。
<その他>
図9は、見通し距離の推定処理の例(その2)を説明する図である。図9は、図5のマップ300を90度毎にエリアを分割したマップである。割り当て装置は、基地局を中心に360度の見通し距離を計算する。しかし、基地局を設置する場所によっては、方向によって見通し距離が大きく異なるケースもある。そういったケースでは、割り当て装置は、基地局を中心に90度毎にエリアを分割し、エリア毎に、最大見通し距離を特定してもよい。また、エリアの分割数については、環境に応じて変更してもよい。
次に、選択部は、見通し距離以外の指標を用いて伝搬モデルを選択してもよい。伝搬モデルの選択の指標として、例えば、建物占有率を用いてもよい。この場合、選択部は、建物占有率が高い地域に基地局を設置する場合に、2乗減衰モデルの電波よりも伝搬距離の短い伝搬モデルを選択すればよい。

Claims (9)

  1. 第1のシステムが使用可能な周波数の電波のうち、前記第1のシステムが時間的又は場所的に使用しない周波数の電波を第2のシステムが利用する通信システムにおいて、
    前記第2のシステムの基地局の位置及び高さを表す情報、及び前記第2のシステム周辺にある遮蔽物に関する情報を含む情報を記憶する記憶部と、
    記第2のシステム内の発信装置から発信される発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な最大距離を前記記憶部に記憶されている情報に基づいて推定し、前記最大距離が所定の閾値よりも大きい場合に、第1の伝搬方式を選択し、前記最大距離が所定の閾値よりも小さい場合に、前記第1の伝搬方式よりも伝搬距離が短くなる第2の伝搬方式を選択する選択部と、
    前記選択部が選択した伝搬方式を用いて、前記発信電波の伝搬距離を計算し、前記発信装置の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達しない場合に、前記第2のシステムが前記発信電波を利用可能であると判定する判定部と、
    を備えることを特徴とする周波数割り当て装置。
  2. 前記選択部は、
    前記第1の伝搬方式を用いて求められる前記発信装置からの前記発信電波の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達する前記発信装置の送信電力の強度を求め、
    前記送信電力の強度で前記発信装置から出される前記発信電波が、前記第2の伝搬方式を用いて到達可能な距離を計算し、計算された距離を前記所定の閾値として用いる
    ことを特徴とする請求項1に記載の周波数割り当て装置。
  3. 前記発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な距離を、前記発信装置を中心に複数方角に対して計算する特定部を、備える
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の周波数割り当て装置。
  4. 第1のシステムが使用可能な周波数の電波のうち、前記第1のシステムが時間的又は場所的に使用しない周波数の電波を第2のシステムが利用する通信システムにおいて、
    前記第2のシステムの基地局の位置及び高さを表す情報、及び前記第2のシステム周辺にある遮蔽物に関する情報を含む情報を記憶し、
    記第2のシステム内の発信装置から発信される発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な最大距離を前記記憶部に記憶されている情報に基づいて推定し、前記最大距離が所定の閾値よりも大きい場合に、第1の伝搬方式を選択し、前記最大距離が所定の閾値よりも小さい場合に、前記第1の伝搬方式よりも伝搬距離が短くなる第2の伝搬方式を選択し、
    選択した伝搬方式を用いて、前記発信電波の伝搬距離を計算し、前記発信装置の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達しない場合に、前記第2のシステムが前記発信電波を利用可能であると判定する
    ことを特徴とする周波数割り当て方法。
  5. 前記第1の伝搬方式を用いて求められる前記発信装置からの前記発信電波の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達する前記発信装置の送信電力の強度を求め、
    前記送信電力の強度で前記発信装置から出される前記発信電波が、前記第2の伝搬方式を用いて到達可能な距離を計算し、計算された距離を前記所定の閾値として用いる
    であることを特徴とする請求項4に記載の周波数割り当て方法。
  6. 前記発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な距離を、前記発信装置を中心に複数方角に対して計算する
    ことを特徴とする請求項4又は5に記載の周波数割り当て方法。
  7. 第1のシステムが使用可能な周波数の電波のうち、前記第1のシステムが時間的又は場所的に使用しない周波数の電波を利用する第2のシステムと、
    前記第2のシステムの基地局の位置及び高さを表す情報、及び前記第2のシステム周辺にある遮蔽物に関する情報を含む情報を記憶し、
    記第2のシステム内の発信装置から発信される発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な最大距離を前記記憶部に記憶されている情報に基づいて推定し、前記最大距離が所定の閾値よりも大きい場合に、第1の伝搬方式を選択し、前記最大距離が所定の閾値よりも小さい場合に、前記第1の伝搬方式よりも伝搬距離が短くなる第2の伝搬方式を選択し、
    選択した伝搬方式を用いて、前記発信電波の伝搬距離を計算し、前記発信装置の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達しない場合に、前記第2のシステムが前記発信電波を利用可能であると判定する周波数割り当て装置と、を備える
    ことを特徴とする周波数割り当てシステム。
  8. 前記周波数割り当て装置は、
    前記第1の伝搬方式を用いて求められる前記発信装置からの前記発信電波の伝搬距離が、前記第1のシステムが使用可能な周波数の電波の伝搬範囲に到達する前記発信装置の送信電力の強度を求め、
    前記送信電力の強度で前記発信装置から出される前記発信電波が、前記第2の伝搬方式を用いて到達可能な距離を計算し、計算された距離を前記所定の閾値として用いる
    ことを特徴とする請求項7に記載の周波数割り当てシステム。
  9. 前記周波数割り当て装置は、
    前記発信電波が前記発信装置の位置から遮蔽物に遮られることなく到達可能な距離を、前記発信装置を中心に複数方角に対して計算する
    ことを特徴とする請求項7又は8に記載の周波数割り当てシステム。
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