JP6442763B2 - 共同電力制御及びチャネル割り当てを用いた空白帯域におけるスペクトル共有 - Google Patents

Description

本開示は、概して、通信ネットワークに関し、より詳細には、共同電力制御及びチャネル配置を用いた空白帯域におけるスペクトル共有に関する。

無線ネットワークの数及び種類が増大し、それにより伝達される通信の量が増加するにつれ、異なる無線アクセス技術、電力制限、周波数制限及び他の相違を有する無線ネットワークを含むネットワークを管理することが次第に望ましくなっている。このような異種ネットワークの管理は、空白帯域の共有特性のために次第に複雑化し得る。空白帯域内での共存を管理するために幾つかの解決策が提供されているが、干渉を回避しながらスペクトル再利用及びスペクトル利用を最大化することは依然として課題である。

本開示は、空白帯域におけるスペクトル共有のための方法を提供する。

少なくとも一態様では、空白帯域内のスペクトル共有のための開示の方法は、ある位置で動作するＮ個の無線ネットワークのネットワーク情報を受信するステップを有する。Ｎ個の無線ネットワークは、Ｍ個の空白帯域チャネルを共有しても良い。方法は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルの前記位置における最大許容可能電力レベルを含むチャネル情報を受信するステップと、前記Ｎ個の無線ネットワーク及び前記Ｍ個の空白帯域チャネルのうちのどれがＬ個の電力レベルの各々で干渉するかを示す干渉グラフを生成するステップと、を有しても良い。前記干渉グラフに基づき、前記方法は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連するリソースの再利用のための線形制約を定めるステップを有しても良い。前記線形制約は、前記Ｎ個の無線ネットワーク間の干渉を回避しても良い。前記方法は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースを最適化する線形関数を定式化するステップを有しても良い。

空白帯域内のスペクトル共有のための追加の開示の態様は、非一時的コンピュータ可読媒体を有する製造品、及び前記コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ実行可能命令を有する。更なる態様は、メモリと、前記メモリに結合されるプロセッサと、ネットワークインタフェースと、前記メモリに格納されたコンピュータ実行可能命令とを有する空白帯域内のスペクトル共有のための管理システムを有する。

実施形態の目的及び利点が理解され、少なくとも特に特許請求の範囲で指摘された要素、特徴及び組合せを用いて達成されるだろう。

本発明並びに利点のより完全な理解のため、添付の図と共に以下の説明を参照する。
空白帯域内のスペクトル共有のためのネットワークの一実施形態の選択された要素のブロック図である。 空白帯域内のスペクトル共有のための管理システムの一実施形態の選択された要素のブロック図である。 空白帯域内のスペクトル共有のための最適化フレームワークの一実施形態の選択された要素のブロック図である。 衝突グラフの一実施形態の選択された要素のブロック図である。 空白帯域内のスペクトル共有のためのリソース配置方法の一実施形態の選択された要素のフローチャートである。 干渉グラフの一実施形態の選択された要素である。 干渉グラフの一実施形態の選択された要素である。 干渉グラフの一実施形態の選択された要素である。

無線ネットワークは、モバイルデータトラフィックの未曾有の成長に適合するために、より多くのスペクトルを要求している。この事実にもかかわらず、多くの帯域（例えば、ＴＶ帯域又は連邦政府によって割り当てられた帯域）で割り当てられるスペクトルは、大量に活用されていないままである。世界中の規制団体は、既存使用者（incumbent）が不在のときに、帯域の不使用部分（「空白帯域」）へのアクセスを可能にする規則を策定してきた。所与の場所で、空白帯域内のチャネルは、例えば既存使用者の近さに依存して、異なる電力レベルを用いて未認可アクセスのために利用できる。空白帯域により提供される追加リソースを活用するために、このスペクトルを共有する複数のネットワークが展開され得る。これは、無線ネットワークプロバイダに貴重な機会を提示し得る。帯域の既存使用者への無干渉を保証するために、空白帯域装置／ネットワークは、認定データベースに問い合わせ、それらの場所のチャネルリストを得る必要がある。チャネル可用性は、通常、主既存ユーザの場所及び近さと共に変化する。したがって、所与の場所で、複数のチャネルが利用可能であり得るが、近傍の既存ユーザへの無干渉を保証するために異なる許容電力レベルを有する。

しかしながら、空白帯域へのアクセスの調整無しでは、互いの近傍に位置するネットワークは干渉し、その結果、高い輻輳レベル、したがって粗悪な性能を生じる。さらに、空白規制により制御されて、２次アクセスは、既存使用者との干渉を回避するために、利用可能チャネルでの異なる最大電力レベルで許可されるのみである。したがって、有害な干渉が回避されるようにチャネルを配置する共存メカニズムスキームを有することが望ましい。

未認可帯域を共有する無線ネットワークのための共存管理スキームは、（ＩＳＭ帯域で動作する）Ｗｉ−Ｆｉネットワークについて検証された。しかしながら、Ｗｉ−Ｆｉネットワーク共有のために提案される方法は、空白帯域内の異種共存設定に直ちに適用可能ではない。例えば、Ｗｉ−Ｆｉネットワークは、通常、それらの近隣ネットワークから送信されるビーコンフレームを傾聴し、輻輳の少ないチャネルを選択する。しかしながら、他の無線技術を有する異種共存は、近隣の発見を困難に及び／又は実行不可能にし、さらには、ユーザ及びネットワーク基盤に悪影響を与え得る大きなオーバヘッドを招いてしまう。

近年、ＬＴＥ（long-term evolution）ネットワークが（ＩＥＥＥ８０２．１１技術に基づく）Ｗｉ−Ｆｉネットワークと共存するとき、共存ギャップ方法が提案された。この方法に基づき、ＬＴＥネットワークは、他のネットワークに実質的に同一帯域で送信させるために、一部の時間の間、自身の送信を停止する。また、共通の通信範囲内にいるユーザが協調のために必要なメッセージを中継すると想定して、共存ネットワークの各々で送信電力及びチャネルを選択するために、協調に基づくアルゴリズムが開発されている。さらに、ＩＥＥＥ８０２．１９．１は、協調管理を可能にするアーキテクチャを開発してきた。（米国特許出願番号第１３１７３６８４５号、２０１３年１月８日出願を含む）直交チャネル配置を可能にする他のアルゴリズムが提案されている。しかしながら、このようなアルゴリズム及び方法は、空白帯域内の幾つかのチャネルのために利用可能になる追加電力レベルを利用せず、粗悪なスペクトル利用をもたらす。

本願明細書に更に詳細に記載するように、空白帯域内のスペクトル共有のための最適化フレームワークは、直交チャネルを各ネットワークに割り当てると同時に、干渉が回避される限り利用可能な電力レベルを利用する。したがって、本願明細書に記載の方法及びアルゴリズムは、空白帯域内のスペクトル共有について、有意なスループット性能の向上を達成できる。（電力制御を想定しない）米国特許出願番号第１３１７３６８４５号で開発されたスキームとは対照的に、本開示は、リソース利用を増大させながらネットワーク間の公平性を達成することを目的として、同一場所に設置されたネットワークからのアクセスを効率的に協調させる、共同電力制御及びチャネル配置のための最適化フレームワークを提示する。本願明細書に開示の方法は、位置情報の知識を有し及び任意的にネットワークアクセス技術及び／又は実際のネットワーク負荷状態のような他の情報を有する中央エンティティ（例えば、空白帯域データベースマネジャ）により実施されても良い。

以下の説明では、開示の主題の議論を容易にするために例として詳細事項が説明される。しかしながら、当業者には、開示の実施形態が例示であること及び全ての可能な実施形態を網羅するものではないことが明らかである。

特定の実施形態及びそれらの利点は、図１乃至図６Ｃを参照することにより良好に理解される。図中の同様の番号は同様の及び対応する部分を示すために用いられている。

図を参照すると、図１は、本開示の特定の実施形態による、空白帯域内のスペクトル共有のためのネットワーク１００の一実施形態の選択された要素を示すブロック図である。幾つかの実施形態では、ネットワーク１００は、無線ネットワーク１０２、ユーザ機器１０４、及び無線ネットワーク１０２に通信可能に結合される管理システム２００を有しても良い。図１に示すように、管理システム２００は、例えばガルバニック及び／又は光媒体（図示しない）を用いて無線ネットワーク１０２と固定通信中であっても良い。無線ネットワーク１０２は、また、ユーザ機器１０４による無線ネットワーク１０２を介した通信を可能にするため、ユーザ機器１０４によるネットワークアクセスを可能にする無線信号を提供しても良い。本願明細書に記載するように、管理システム２００は、リソース（例えば、チャネル配置及び／又は電力レベル）を管理し、空白帯域内のスペクトル共有のためのスペクトルブローカとして動作するよう構成されても良い。

幾つかの実施形態では、無線ネットワーク１０２は、通信ネットワークへのアクセスポイントであっても良い。アクセスポイントは、ユーザ機器１０４に通信ネットワークを介した通信を可能にするよう構成される。幾つかの実施形態では、各無線ネットワーク１０２は、他の無線ネットワーク１０２と同じスペクトル帯域を共有し、一方で異なる無線アクセス技術（例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１、ＩＥＥＥ８０２．２２、ＬＴＥ、等）で動作する可能性がある。さらに、各無線ネットワーク１０２は、異なる事業者により所有され及び／又は運営されても良い。例えば、システム１００は、２つのＬＴＥ送信塔及び２つの８０２．２２無線アクセスポイントを含む４つの無線ネットワーク１０２を有しても良い。同一の又は代替の構成で、システム１００は、本開示の範囲から逸脱することなく、より多くの、より少ない、又は異なる構成の無線ネットワーク１０２を有しても良い。

幾つかの実施形態では、ユーザ機器１０４は、無線ネットワーク１０２のうちのいずれか又は全部を介して通信する及び／又は通信を実現するよう構成される電子装置及び／又は複数の電子装置の組合せであっても良い。例えば、ユーザ機器１０４は、セルラ電話機、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、他のユーザ機器１０４のネットワーク、及び／又は無線ネットワーク１０２を介してデータを送信及び／又は受信するよう構成され得る他の適切な電子装置であっても良い。

ネットワーク１００の動作中、空白帯域は、モバイルデータトラフィックの増大する要求に適合するために、無線ネットワーク１０２に追加リソースを提供しても良い。スペクトル不足及び空白帯域を介したデータトラフィックのオフロードに対する関心の増大のために、管理システム２００は、近隣ネットワーク間の干渉を制御でき、リソース（つまり、チャネル及び／又は電力）利用を増大できるようにされても良い。空白帯域は、既存使用者の活動に依存して、幾つかのチャネルに、（例えば、ＴＶ帯域内の）異なる電力レベルを有する追加スペクトルを提供しても良い。幾つかのチャネルのスペクトルを再利用するために及び追加電力レベルを良好に利用するために、直交チャネル配置は、電力制御と共に提供され、てスペクトル使用規則からの制約を受けても良い。ネットワークトポロジ及び干渉関係は、干渉グラフＧにより表現できる。ここで、ネットワークノードはネットワークであり、ネットワークノード対の間のエッジは該ネットワークノード対の間の干渉を表す。例えば、２つのネットワークは、それらが互いの干渉範囲内に位置するとき、干渉を宣言されても良い。干渉範囲は、アクセス技術に依存しても良い（例えば、ＬＴＥネットワークは、Ｗｉ−Ｆｉネットワークよりも大きなカバレッジを有する）。位置情報のみが分かるとき、管理システム２００のような中央エンティティは、最大干渉範囲を想定し、相応してより保守的な干渉グラフを構築しても良い。

空白帯域内のスペクトル共有の１つの目的は、空白帯域内のスペクトル使用規則に従いながら効率的にチャネルを割り当て及び電力レベルを調整するフレームワークを開発することである。具体的には、ＴＶ帯域についての特定のスペクトル使用規則は、位置及び規制当局に依存して、例えば、固定ＴＶ帯域装置（例えば、マクロ基地局）に対して、固定ＴＶ帯域装置が動作するＴＶチャネルの数にかかわらず、送信アンテナへ分配される最大電力が特定の電力レベル（例えば、１Ｗ）を超えてはならないと命じる。他のスペクトル利用規則は、個人用／ポータブルＴＶ帯域装置（例えば、アクセスポイント、低電力スモールセル、及び／又はモバイル装置）に対して、最大送信電力が特定の電力レベル（例えば、１００ｍＷ又は２０ｄＢｍ）を超えてはならないと命じても良い。さらに他のスペクトル利用規則は、宣言された隣接チャネル分離要件に適合しない個人用／ポータブルＴＶ帯域装置が特定の最大送信電力（例えば、４０ｍＷ又は１６ｄＢｍ）に制限され得ると命じても良い。幾つかの領域では、最大電力レベルは、装置が動作するＴＶチャネルの数に関わらず適用しても良い。

さらなるスペクトル利用規則は、特定のＴＶ帯域装置（例えば、特に、占有ＴＶチャネルに隣接して動作する固定装置、個人用／ポータブル／モバイル装置、他の個人用／ポータブル装置）から導かれるアンテナへの電力スペクトル密度が、任意の連続送信時間間隔中に所定帯域（例えば、１００ｋＨｚ帯域）で測定されたとき、所与の値より大きくてはならないと指定しても良い。

特に、特定のスペクトル利用規則は、異なる電力レベルを有する複数のチャネルの集約が認められないと示しても良い。したがって、異なる電力レベルを有するチャネルがネットワークに割り当てられるとき、これらのチャネルを介した動作は（例えば、時間領域で）分離されても良い。或いは、実質的に同じ時間に全てのチャネルで動作するための送信電力は、全てのチャネルに対して許容可能な最低許容電力レベルに制限されることが望ましい。

空白帯域内のスペクトル共有のための最適化問題は、ネットワーク効用関数Ｕ_ｎの観点で表現でき、通常、次式により定式化できる。

ｍａｘ ｍｉｎ_ｎＵ_ｎ 式（１）
この式は、再利用制約、電力制約、及び（上述のような）規制制約を受け得る。この式は、電力効用関数を最大化するためのものであり、したがってリソース利用は増大する（つまり、幾つかのチャネルに許容可能なスペクトル再利用と追加電力レベルの使用の両方）。リソース利用の増大は、より多くの再利用とより多くの電力の可能性との間のトレードオフに関連し得る。低電力レベルでの送信は、まばらな干渉グラフ、したがってより多くの再利用機会をもたらし得る。他方で、高電力レベルでの送信はより高いデータレートを達成するが、干渉電力も高いので、スペクトル再利用の機会は減少し得る。

効用関数は、各ネットワークｎに対応する性能指標を表し得る。通常、効用関数は、配置されたチャネル（又は帯域幅）及び電力の非線形非凸関数であっても良い。したがって、式（１）の最適化問題を解くことは、制約の線形集合でも計算的に解決困難である。

空白帯域内のスペクトル共有の１つの主な目標は、調整されたチャネル配置及び電力制御を通じて（例えば、達成可能なスループットの観点で）公平な性能を達成することである。特に、以下の特性は、達成可能なスループットに従って観察され得る。（Ｐ１）．割り当てられた帯域幅の増大はデータレートを向上する。

（Ｐ２）．雑音電力も、帯域幅の増大に伴い増大する。スペクトル使用規則は使用されるチャネル数にかかわらず実質的に同じ電力レベルを命じ得るので、帯域幅の増大は、１より多いチャネルが用いられるとき、より小さな信号対雑音比（signal-to-noise ratio：ＳＮＲ）をもたらす。

（Ｐ３）．送信電力レベルが大きいほど、（無干渉であるとすると）達成可能なスループットが大きい。

（Ｐ４）．（Ｐ２）の場合、大きな送信電力を有することの影響は、大きな帯域幅を有することの影響より重い。

本開示の発明者等は、達成可能なスループットが各電力レベルの帯域幅の区分的線形関数により近似できることに気付いた。例えば、２つの連続する線形曲線は、異なる電力レベルについて（時間共有を想定して得られた）実際のデータレート対帯域幅の関数にぴったり合う。利用された時間共有では、各ネットワークの有用性は、電力レベル毎に全ての割り当てられたチャネルを介して達成される有用性の和であっても良い。このような場合には、目的関数は、式（２）により与えられる形式で記述できる。

式（２）

式（２）では、ｌは電力レベルを表し、ｍはチャネルを表し、ｎはネットワークを表し、ｗ_ｓはチャネル帯域幅を表し（単にｗとしても表される）、

は各電力レベルの実際のスループット曲線に合う区分的線形モデルのパラメータを表し、ｃはリソース（例えば、チャネル及び／又は電力レベル）がネットワークに割り当てられる時間の関数であり、（ｍａｘの下の）Ｃはｃ＿｛ｌｍｎ｝のベクトルを表し、ｔ（ｎ）はネットワークｎの技術を表す（スループットは技術、例えばＷｉ−Ｆｉ、ＬＴＥ、等に依存し得る）。これらの定数は、アクセス技術及び最大送信電力レベルに依存し、最小二乗正規方程式を用いて得ることができる。特定のスペクトル使用規則は、電力スペクトル密度（power spectral density：ＰＳＤ）及び最大送信電力の両方を制限するので、ＳＮＲ値は、単一及び／又は複数チャネルに渡り時間共有が用いられるとき、異なり得る。単一チャネルが用いられるとき、ＳＮＲは、使用される帯域幅の量に関係なく一定であっても良い。

しかしながら、１より多いチャネルが用いられるとき、ＳＮＲは、チャネル数と共に減少し得る。帯域幅ｗ_ｓ（ＭＨｚ）に伴うＳＮＲの性質のこの変化は、２つの線形曲線を用いることにより、スループットモデルで用いられキャプチャされる。両方の曲線では、線形曲線の傾斜は、用いられる技術及び電力レベルに依存し得る。

留意すべきことに、異なる利用可能な電力レベルを有する各チャネルの公平な分け前を配置することは、本願明細書に更に詳細に記載するように、時間共有に関連し得る。１つの電力レベル内で、適切な場合には、スペクトル利用を増大するために、１より多いチャネルが配置されても良い。

しかしながら、達成可能なスループットは、時間共有が実行される帯域幅に依存し得る。電力は、チャネル数に関係なく固定されるので、より多数のチャネルを集約するとき、スループット利得は縮小し得る。電力レベル毎のスループットを表す効用関数は、対応する集約チャネル数を表すために、（ｌ０ノルムの観点で）非凸関数を含み得る。これは、最適化問題を計算的に解決困難にしてしまう。

したがって、本願明細書に開示の方法は、計算的に扱いやすい目的関数を策定するため電力レベルとチャネルの両方に渡り時間共有を適用する（つまり、集約しない）。電力レベル毎の各チャネルの時間の一部分（又はパーセンテージ）はネットワークに配置されるので、各チャネルの時間共有は、１つの空白チャネルに渡る。その結果、ネットワークに割り当てられる最大帯域幅は、１つの完全な空白チャネルである。したがって、電力レベル毎のスループットは、帯域幅の単純な線形関数により近似でき、かっかとして式（３）により与えられる目的関数をもたらす。

式（３）

本願明細書に開示のように、異なる電力レベルを有するチャネルの直交動作を達成するために、時間共有のアルゴリズムが用いられても良い。時間共有は、前述のような特定の規制条件に適合するために、空白チャネル全体に渡り実行されても良い。利用可能なチャネルの数が数チャネルに制限される特定の例では、時間領域における直交共有は、効率的に解くことができる式（３）により与えられる線形アルゴリズムを用いて解くことができる。

図２を参照すると、ブロック図は、本開示による空白帯域内のスペクトル共有のための管理システム２００の一実施形態の選択された要素を示す。図２に示す実施形態では、管理システム２００は、共有バス２０２を介して集合的に記憶媒体２１０として識別される記憶媒体に結合されるプロセッサ２０１を有する。

図２に示すように、管理システム２００は、管理システム２００を、ネットワーク１００の部分のような、無線ネットワーク１０２（図１参照）を含むネットワークに接続するネットワークアダプタ２２０を更に有する。

図２では、記憶媒体２１０は、永続的及び揮発性媒体、固定及び取り外し可能媒体、磁気及び半導体媒体を含み得る。記憶媒体２１０は、命令、データ、又はそれらの両方を格納するよう動作する。図示の記憶媒体２１０は、命令２２４のセット又はシーケンス、つまりオペレーティングシステム２１２及びスペクトル時間共有２１４を有する。オペレーティングシステム２１２は、ＵＮＩＸ(登録商標)又はＵＮＩＸに類似するオペレーティングシステム、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ファミリオペレーティングシステム、又は別の適切なオペレーティングシステムであっても良い。命令２２４は、完全に又は少なくとも部分的に、その実行中にプロセッサ２０１内に存在しても良い。さらに留意すべきことに、プロセッサ２０１は、命令２２４を共有バス２０２を介して記憶媒体２１０から受信するよう構成されても良い。

本願明細書に記載のように、スペクトル時間共有２１４は、本開示に従う種々のアルゴリズムを実施するための命令及び／又はコードを表し得る。

図３を参照すると、最適化フレームワーク３００の一実施形態の選択された要素が図形式で示される。最適化フレームワーク３００は、例えば、本願明細書に記載のように、空白帯域内のスペクトル共有のためのアルゴリズムを実施するとき、スペクトル時間共有２１４（図２参照）により実行されるデータ及び／又は命令を表し得る。最適化フレームワーク３００では、衝突グラフが先ず構築され、異なる電力レベルを有する空白帯域に渡り直交動作を保証する制約セットを定式化するために用いられる。ネットワーク位置及び利用可能空白チャネルに関する情報を与えられると、衝突グラフは、特定の送信電力レベルを有する所与の空白チャネルで所与のネットワークのために配置された時間リソースを表す各ノードを有し構築されても良い。次に衝突グラフは、線形制約のセットにマッピングされる。次に、各ネットワークについて線形効用関数を用いて、異なるネットワークに渡り公平にリソースを配置する線形プログラム（linear program：ＬＰ）が解かれる。最後に、線形プログラムの解に適合するために実際のリソースを異なるネットワークに配置するアルゴリズムが実施される。

最適化フレームワーク３００では、図３に示すように、所与の情報３０２はアルゴリズムへの入力を表しても良く、ネットワーク位置／情報３１０及び利用可能なチャネル／電力レベル３１２を含む。ネットワーク位置／情報３１０は、スペクトル共有が仲介されるべき無線ネットワークの位置情報及び／又は他の情報（例えば、ネットワーク負荷、ネットワークアクセス技術、等）を表し得る。利用可能なチャネル／電力レベル３１２は、ネットワーク位置／情報３１０により与えられる位置で利用可能な空白帯域チャネルに関する規制及び／又は地理的情報を表し得る。

図３では、衝突グラフ３１４及び線形制約３１６は、ＬＰを解く前に実行される前処理を表し得る。衝突グラフ３１４（Ｇ_ｃでも表す）には、ＬＭＮ個の衝突ノードが存在し、各衝突ノードは、特定のネットワークｎ、チャネルｍ及び電力レベルｌに対して割り当てｃ_ｌｍｎを表す。２つの衝突ノード間のエッジは、（つまり、ｃ_ｌｍｎとｃ_{ｌ’ｍ’ｎ’}との間の）衝突を表し、ネットワークｎ及びｎ’がそれぞれ電力レベルｌ及びｌ’を有するチャネルｍ及びｍ’をそれぞれ配置されないことを示す。言い換えると、チャネルｍ及びｍ’は、ネットワークｎ及びｎ’、及び／又は電力レベルｌ及びｌ’に関して直交していない。所与のネットワークでは、スペクトル使用規則は、実質的に同時に異なるチャネルに渡る２つの異なる電力レベルで送信することを許容しない。したがって、衝突グラフ３１４の種々の実施形態では、異なる電力レベルを有する異なるチャネル間の時間共有を強制するために、エッジは衝突ノードｃ_ｌｍｎとｃ_{ｌ’ｍ’ｎ’}との間に導入されても良い。さらに、多項式時間複雑性を線形問題にするために、ネットワークがチャネルを集約できない（所与の時間に１より多いチャネルで送信できない）シナリオを想定する。このモデルは、利用可能な空白チャネルの数が所与の位置に限られ、したがって集約の可能性が無いときに関連し、衝突ノードｃ_ｌｍｎとｃ_{ｌ’ｍ’ｎ’}との間にエッジを追加することにより衝突グラフに実装され得る。したがって、（異なる電力レベル及びチャネルについて）１つのネットワークを表す衝突ノードは、衝突グラフＧの完全なサブ衝突グラフを形成し得る（図４、セクション（ａ）も参照）。固定位置を有する所与のネットワーク対は、特定の電力レベルにおいて所与のチャネルで干渉し得るが、別の電力レベルにおいては未だ干渉しない。この動作は、衝突グラフ３１４の構築の際、異なるネットワークを表す異なる衝突ノードを接続するために用いることができる（図４、セクション（ｂ）も参照）。さらに、リソース（例えば、時間スロット及び／又は帯域幅）の実現可能な割り当てに到達するという利益のために、特定の電力レベルにおいて干渉するネットワーク対について、異なるチャネル及び干渉電力レベルに対応する該ネットワークに関連する衝突ノード間の追加エッジが導入されても良い（図４、セクション（ｃ）も参照）。

衝突グラフ３１４の構築後、線形制約３１６は、以下の手順、つまり手順１又は手順２のいずれかを用いて定式化されても良い。

（手順１）近隣再利用セット及び対制約を構築する。

ここで、Ｅｃｃ’＝１は、衝突ノードｃとｃ’との間のエッジを意味する。ここで、衝突グラフＧ_ｃ内の各ノードｃについて、集合Ｎ_ｌ（ｃ）を構築するアルゴリズムが用いられる。この集合の中で、ネットワークｃの近隣の部分集合が選択され（したがって、上述の制約で考慮される）、リソースの利用を最大化しながら、全てのネットワークについての完全な制約セットが、衝突グラフ内の全ての衝突ノードについて直交リソース割り当てを保証する。

（手順２）衝突グラフ内の全ての小集団（clique）を見付けることにより、線形制約セットを構築する。

各小集団（ｃ，ｃ’，ｃ’’，．．．）は制約ｃ＋ｃ’＋ｃ’’＋・・・≦１にマッピングされる。

次に、図３で、線形アルゴリズム３０６を解くと（式（３）参照）、最適解３１８を生じ、ネットワークｎに割り当てられた電力レベルｌを有する時間チャネルｍのパーセンテージを表すｃ_ｌｍｎを生成する。

最後に、図３で、タイムスロット割り当て３２０は実装情報３０８を表す。ここで、時間／電力／スペクトルリソースは、最適解３１８に従ってネットワークに割り当てられるので、干渉は回避され、一方で時間及び周波数リソースの両方が再利用される。

先ず、１つのタイムスロットの期間は、ｔ＝１／Ｋと定められる。ここで、Ｋは単位時間当たりのタイムスロット数である。したがって、最適解３１８を満たすために必要なタイムスロット数は、ｓ_ｌｍｎ＝ｆｌｏｏｒ（ｃ_ｌｍｎ／ｔ）である。Ｓを全ての利用可能なＫ個のタイムスロットの集合とする。ネットワーク（ｕ，ｖ）の各対について、ｌ^＊ _ｕｖは、１つのネットワークにより用いられる最小電力レベルとして定められる。したがって、（ｕ，ｖ）は衝突グラフＧ_ｃ内で隣接する（つまり、ｕ，ｖを表す衝突ノードはＧ_ｃ内で接続される）。Ｓ_ｌｍｎ、Ｓ^ａ _ｌｍｎを、それぞれ、電力レベルｌを用いてチャネルｍを介してネットワークｎに割り当てられ得る利用可能なタイムスロットのセット及び割り当てられたタイムスロットのセットとする。集合Ｓ_ｌｍｎは任意の電力レベルｌ’＜ｌにおいてＧ_ｃ内でネットワークｎの近隣に割り当てられていない全てのタイムスロットを含む。次に、ｌ、ｍ、ｎの幾つかの値は固定されても良い。ネットワークｕは、ｌ^＊ _ｎｕ＞ｌの場合に、ネットワークｎ，ｕが電力レベルｌを用いるとき、チャネルｍでのネットワークｎのための再利用ネットワークとして定められる。このようなネットワークｕ全てを含む集合は、Ｒ（ｌ，ｍ，ｎ）として表される。最後に、チャネルｍ及び電力レベルｌでのネットワークｎのための再利用タイムスロットのセットは、式（４）で定められる。

これらの定義で、単純な欲張りリソース配置アルゴリズムが実装できる（図５参照）。

式（４）

図４を参照すると、衝突グラフ３１４の一実施形態の選択された要素が更に詳細に示される。図４で、衝突グラフ３１４は、２つのネットワーク、２つのチャネル及び２つの電力レベルについて構築される。図４の干渉グラフセクション（ａ）に示すように、ネットワーク１、２は、より高い電力レベルＰ_２が用いられるとき干渉し、より低い電力レベルＰ_１が用いられるとき干渉しない。図４で、セクション（ａ）は、各ネットワークｎのｃ_ｌｍｎを表す全ての衝突ノードがそれぞれ個々の電力レベルｌで接続されることを示す２つの衝突グラフを示す。次に、図４、セクション（ｂ）で、各チャネルｍを表すｃ_ｌｍｎ衝突ノードは、図示の衝突グラフ内の両方のネットワークｎの間に接続される。留意すべきことに、干渉グラフにより示されるように、ネットワーク１及び２は共に電力レベルＰ_１を用いるとき干渉しないので、衝突グラフ内で、ｃ_１１１はｃ_１１２に接続されず、ｃ_１２１はｃ_１２２に接続されない。最後に、図４、セクション（ｃ）で、干渉グラフ内で特定の電力レベルｌにおいて干渉するネットワークｎの対に対して、リソース（例えば、時間及び／又は帯域幅）の実現可能な割り当てを保証するために、エッジは、衝突グラフ内で異なるチャネルを表す衝突ノード間に導入される。例えば、図４、セクション（ｃ）で、対応する衝突グラフは、ｃ_２１１がｃ_１２２及びｃ_２２２の両方に接続されることを示す。

図５を参照すると、方法５００の一実施形態の選択された要素がフローチャート形式で示される。方法５００は、図３の実装３０８に関して上述した定義に従う、単純な欲張りリソース配置アルゴリズムを表し得る。留意すべきことに、方法５００に示した特定の動作は、必要に応じて再配置され又は省略されても良い。

方法５００は、ｌ，ｍ，ｎの全ての値について集合Ｓ及びＲを初期化することにより開始し得る（動作５０２）。具体的には、集合Ｓ、Ｓ_ｌｍｎ、Ｓ^＊ _ｌｍｎ、Ｒ（ｌ，ｍ，ｎ）、Ｓ^γ _ｌｍｎは、動作５０２で全てのｌ，ｍ，ｎについて初期化されても良い。式（４）は、動作５０２での初期化のめに用いられても良い。次に、衝突ノードは、衝突グラフＧ_ｃ内のノード階級に従って順序付けられても良い（動作５０４）。タイムスロットは、順序付けにより、ｌ，ｍ，ｎの全ての値に対して配置されても良い（動作５０６）。動作５０６では、タイムスロットを配置するために、以下の擬似コード手順が実装されても良い。Ｃ_{ｏｒｄｅｒｅｄ}は、衝突グラフ内の順序付けられた衝突ノードｃ_ｌｍｎを含むサイズＬＭＮの配列を表すとする。

//Ｃ_{ｏｒｄｅｒｅｄ}内の各要素に対してタイムスロットを次のように配置するｆｏｒ ｋ＝１：ＬＭＮ//電力レベルｌ、チャネルｍ、ネットワークｎに対応する、Ｃ_{ｏｒｄｅｒｅｄ}内のｋ番目の要素について、 ｆｏｒ ｓ＝１：Ｓ_ｌｍｎＳ_ｌｍｎ∩Ｓ^γ _ｌｍｎからタイムスロットを配置する十分なスロットがない場合、Ｓ_ｌｍｎから残りを配置する ｅｎｄ ｆｏｒｅｎｄ ｆｏｒ次に、集合Ｓは、ｌ、ｍ、ｎの全ての値を更新されても良い（動作５０８）。具体的には、集合Ｓ_ｌｍｎ、Ｓ^ａ _ｌｍｎ、Ｓ^γ _ｌｍｎは、動作５０６で全てのｌ、ｍ、ｎについて更新されても良い。

図６Ａ〜６Ｃを参照すると、本願明細書に記載されたような、空白帯域内のスペクトル共有のためのアルゴリズムの一例のトポロジが、Ｌ個の許容可能最大電力レベルでＮ個のネットワークがＭ個の空白チャネルを共有する領域について図示される。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃは、干渉グラフ６００、６０１及び６０２を示す。ここで、Ｎ＝３｛Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３｝、Ｍ＝２｛ｃ１，ｃ２｝、及びＬ＝３｛４０ｍＷ，７０ｍＷ，１００ｍＷ｝である。図６Ａ、６Ｂ及び６Ｃでは、個々の干渉グラフ６００、６０１及び６０２は、それぞれ異なる電力レベル（例えば、４０ｍＷ、７０ｍＷ及び１００ｍＷ）におけるネットワークトポロジを表し得る。干渉グラフ６００、６０１及び６０２では、ネットワークノード（円）は異なるネットワークを表し、ネットワークノード間のエッジ（線）は２つのネットワークが互いに干渉するときを表す。異なる実施形態では、干渉グラフは、本願明細書に記載のように、異なる数のネットワークノード及びエッジを有しても良いことが理解されるだろう。

図６Ａの干渉グラフ６００及び図６Ｂの干渉グラフ６０１では、ネットワークノードＮ１は、ネットワークノードＮ２及びＮ３と干渉し得る。図６Ｃの干渉グラフ６０２では、ネットワークノードＮ２は、ネットワークノードＮ３と更に干渉しても良い。図６Ａ〜６Ｃに示すように、電力レベルは、干渉グラフ６００の第１の電力レベル（つまり、Ｐ１＝４０ｍＷ）から、干渉グラフ６０１の第２の電力レベル（つまり、Ｐ２＝７０ｍＷ）へ、干渉グラフ６０２の第３の電力レベル（つまり、Ｐ３＝１００ｍＷ）へと増大する。

図６Ａ〜６Ｃに示すネットワークトポロジでは、ネットワークノードＮ１及びＮ２はＬＴＥネットワークを表しても良く、一方、ネットワークノードＮ３はシミュレーション領域で共存するＷｉ−Ｆｉネットワークを表しても良い。さらに、２つのチャネル（ｃ１、ｃ２）はそれぞれ最大送信電力４０ｍＷ及び１００ｍＷを有すると仮定する。したがって、チャネルｃ２は、最大１００ｍＷまでの任意の電力レベルで動作できる。図６Ａ〜６Ｃは、３つの電力レベル（４０ｍＷ，７０ｍＷ，１００ｍＷ）に対応する干渉グラフを示す。一方、方法５００による時間共有実装とともに（提案のＬＰを解くことによる）共同電力制御及びチャネル配置ソリューションは、以下の表１に示される。ＬＰにおける目的関数では、問題を解決する中央サーバ（つまり、管理システム２００、図１及び２を参照）は、それらの通信範囲内の特定数のユーザを想定して（例えば、利用可能ならばネットワーク負荷情報、又は他のユーザ数に従って）、異なるアクセス技術及び電力レベルについてスループットの値を生成する。次に、線形関数は、各電力レベル及びアクセス技術毎に、これらの値に適合されても良い。本例では、共存するネットワークのアクセス技術情報は中央サーバで利用可能ではないと仮定されても良い。

したがって、効用関数の傾斜についての異なる技術の傾斜値の平均が各電力レベルに適応されても良い。表１から、各ネットワークは時間的に共有されたより大きな電力レベルを有するチャネルの実質的に均等な分け前を得ることが分かる。これは、アクセス技術の知識を有しないで、各ネットワークが実質的に同じ効用関数を有すると想定されるからである。

［表１］：共同電力及びチャネル割り当てソリューションの一例

本例では、空白帯域内のスペクトル共有のための本願明細書に記載の方法によるアルゴリズムの達成可能なスループットが、電力制御を有しないアルゴリズム及び基準ポリシと共に評価される。電力制御を有しないアルゴリズムでは、チャネル当たりの送信電力は４０ｍＷに制限されるので、ネットワーク１はチャネルｃ１を得て、ネットワーク２及び３はチャネルｃ２を得る。基準チャネル選択ポリシでは、Ｗｉ−Ｆｉネットワークは、輻輳の最も少ないチャネルを単に選択し、ＬＴＥネットワークは最小干渉レベルを有するチャネルを選定する。選択されたチャネルでは、ネットワークは、許容される最大電力レベルで送信する。空白帯域内のスペクトル共有のための本願明細書に記載の方法によるアルゴリズムは、調整されたチャネルアクセスと共に、幾つかのチャネルに対して許容されるより大きな送信電力を利用する電力制御を用い、基準に比べて約４５％のスループット利得、及び最悪動作ネットワークで電力制御ポリシを有しない場合と比べて約２３％の利得を達成できる。

以上に開示した主題は、説明のためであり、限定ではないと考えられるべきである。また、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神及び範囲に包含される全ての変更、拡張及び他の実施形態を包含することを意図している。したがって、法により認められる最大範囲まで、本開示の範囲は、特許請求の範囲及びその等価物の最も広い許容可能な解釈により決定されるべきであり、前述の詳細な説明により限定又は制限されるべきではない。

１００ ネットワーク
１０２ 無線ネットワーク
１０４ ユーザ機器
２００ ネットワークアダプタ
２０１ プロセッサ
２０２ 共有バス
２１０ 記憶媒体
２１２ ＯＳ
２１４ スペクトル時間共有
２２４ 命令
３０２ 与えられる情報
３０４ 処理
３０６ 線形アルゴリズム
３０８ 実施
３１０ ネットワーク位置／情報
３１２ 利用可能チャネル／電力レベル
３１４ 衝突グラフ
６００、６０１、６０２ 干渉グラフ
３１６ 線形制約
３１８ 最適解
３２０ タイムスロット配置

Claims (12)

1. 空白帯域内のスペクトル共有のための方法であって、
   ある位置で動作するＮ個の無線ネットワークのネットワーク情報を受信するステップであって、前記Ｎ個の無線ネットワークはＭ個の空白帯域チャネルを共有し、Ｎ及びＭは１以上の整数である、ステップと、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルについて前記位置における最大許容可能電力レベルを含むチャネル情報を受信するステップと、
   Ｌ個の電力レベルのうちの各々について前記Ｎ個の無線ネットワーク及び前記Ｍ個の空白帯域チャネルのうちのどれが干渉するかを示す衝突グラフを生成するステップであって、Ｌは１以上の整数である、ステップと、
   前記衝突グラフに基づき、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連するリソースの再利用についての線形制約を定めるステップであって、前記線形制約は、前記Ｎ個の無線ネットワーク間の干渉を回避する、ステップと、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースを最適化する線形関数を定式化するステップと、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースの割り当てを得るために、前記線形関数を解くステップであって、前記リソースは、前記Ｎ個の無線ネットワークの各々に配置されたタイムスロット及び電力レベルを含む、ステップと、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルの各々について、Ｎ個の無線ネットワークの各々に、タイムスロット及び電力レベルを含む前記リソースを配置することにより、前記割り当てを実施するステップと、
   をプロセッサが実行することを有する方法。
2. 前記リソースを配置するステップは、前記Ｍ個の空白帯域チャネルの各々について、個々の無線ネットワークにスケジューリング情報をシグナリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記線形制約は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルの使用に対するスペクトル使用規則に従う、請求項１に記載の方法。
4. 前記線形制約は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースの最大割り当てを制限する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ネットワーク情報は、無線アクセス技術の種類を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記衝突グラフは、
   所与の無線ネットワークの所与の電力レベルにおける空白帯域チャネルを表す衝突ノードと、
   前記衝突ノードの選択された対の間のエッジであって、前記エッジは、衝突ノードの対の間の衝突を表す、エッジと、
   を有し、
   前記衝突グラフを生成するステップは、
   スペクトル使用規則に従うために異なる空白帯域チャネルの第１の対の時間共有を強制するために、第１の無線ネットワーク、前記異なる空白帯域チャネルの第１の対、及び異なる電力レベルの第１の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第１の対の間に第１のエッジを追加するステップと、
   異なる空白帯域チャネルの第２の対の時間共有を強制するために、第２の無線ネットワーク、第２の電力レベル、及び前記異なる空白帯域チャネルの第２の対に共通に関連付けられる衝突ノードの第２の対の間に第２のエッジを追加するステップと、
   少なくとも１つの電力レベルにおいて干渉する異なる無線ネットワークの第１の対、異なる空白帯域チャネルの第３の対、及び第２の電力レベルに共通に関連付けられる衝突ノードの第３の対の間に第３のエッジを追加するステップと、
   少なくとも１つの電力レベルにおいて干渉する異なる無線ネットワークの第２の対、異なる空白帯域チャネルの第４の対、及び異なる電力レベルの第２の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第４の対の間に第４のエッジを追加するステップと、
   異なる無線ネットワークの第３の対、第１の空白帯域チャネル、及び第３の電力レベルに共通して関連付けられる衝突ノードの第５の対の間に第５のエッジを追加するステップと、
   無線ネットワークの第４の対、第２の空白帯域チャネル、及び異なる電力レベルの第３の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第６の対の間に第６のエッジを追加するステップと、
   のうちの少なくとも１つを有する、請求項１に記載の方法。
7. プロセッサに実行させる複数の命令を含んだプログラムであって、
   前記複数の命令は、
   ある位置で動作するＮ個の無線ネットワークのネットワーク情報を受信する命令であって、前記Ｎ個の無線ネットワークはＭ個の空白帯域チャネルを共有し、Ｎ及びＭは１以上の整数である、命令と、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルについて前記位置における最大許容可能電力レベルを含むチャネル情報を受信する命令と、
   Ｌ個の電力レベルのうちの各々について前記Ｎ個の無線ネットワーク及び前記Ｍ個の空白帯域チャネルのうちのどれが干渉するかを示す衝突グラフを生成する命令であって、Ｌは１以上の整数である、命令と、
   前記衝突グラフに基づき、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連するリソースの再利用についての線形制約を定める命令であって、前記線形制約は、前記Ｎ個の無線ネットワーク間の干渉を回避する、命令と、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースを最適化する線形関数を定式化する命令と、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースの割り当てを得るために、前記線形関数を解く命令であって、前記リソースは、前記Ｎ個の無線ネットワークの各々に配
   置されたタイムスロット及び電力レベルを含む、命令と、
   前記Ｍ個の空白帯域チャネルの各々について、Ｎ個の無線ネットワークの各々に、タイムスロット及び電力レベルを含む前記リソースを配置することにより、前記割り当てを実施する命令と、
   を含むプログラム。
8. 前記リソースを配置する命令は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルの各々について、個々の無線ネットワークにスケジューリング情報をシグナリングする命令を含む、請求項７に記載のプログラム。
9. 前記線形制約は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルの使用に対するスペクトル使用規則に従う、請求項７に記載のプログラム。
10. 前記線形制約は、前記Ｍ個の空白帯域チャネルに関連する前記リソースの最大割り当てを制限する、請求項７に記載のプログラム。
11. 前記ネットワーク情報は、無線アクセス技術の種類を含む、請求項７に記載のプログラム。
12. 前記衝突グラフは、
    所与の無線ネットワークの所与の電力レベルにおける空白帯域チャネルを表す衝突ノードと、
    前記衝突ノードの選択された対の間のエッジであって、前記エッジは、衝突ノードの対の間の衝突を表す、エッジと、
    を有し、
    前記衝突グラフを生成する命令は、
    スペクトル使用規則に従うために異なる空白帯域チャネルの第１の対の時間共有を強制するために、第１の無線ネットワーク、前記異なる空白帯域チャネルの第１の対、及び異なる電力レベルの第１の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第１の対の間に第１のエッジを追加し、
    異なる空白帯域チャネルの第２の対の時間共有を強制するために、第２の無線ネットワーク、第２の電力レベル、及び前記異なる空白帯域チャネルの第２の対に共通に関連付けられる衝突ノードの第２の対の間に第２のエッジを追加し、
    少なくとも１つの電力レベルにおいて干渉する異なる無線ネットワークの第１の対、異なる空白帯域チャネルの第３の対、及び第２の電力レベルに共通に関連付けられる衝突ノードの第３の対の間に第３のエッジを追加し、
    少なくとも１つの電力レベルにおいて干渉する異なる無線ネットワークの第２の対、異なる空白帯域チャネルの第４の対、及び異なる電力レベルの第２の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第４の対の間に第４のエッジを追加し、
    異なる無線ネットワークの第３の対、第１の空白帯域チャネル、及び第３の電力レベルに共通して関連付けられる衝突ノードの第５の対の間に第５のエッジを追加し、
    無線ネットワークの第４の対、第２の空白帯域チャネル、及び異なる電力レベルの第３の対に共通して関連付けられる衝突ノードの第６の対の間に第６のエッジを追加する、
    のうちの少なくとも１つを実行する命令を有する、請求項７に記載のプログラム。

Images