JP6808760B2 - 分散動的スペクトル割当てのための方法、ソース装置およびパワーノード - Google Patents
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Description
分散無線通信ネットワークにおいて動的スペクトル割当てを使用するときには、以下のようないくつかの技術的問題に直面する。
− 動的スペクトル割当てを管理するのにセントラルオーソリティを使用することができない。
− いくつかの装置が同じ認可スペクトルを要求したときにいくらかの競合を起こす可能性がある。
− 我々が知っているとおり、いくつかの移動装置の送信電力は限られており、それらの装置は多くのルータを介してあて先装置(destination device)にデータを送信する。それぞれのルータが対応する空き認可スペクトル(idle licensed spectrum)を見つける場合、それによって多くの負荷がネットワークにかかる可能性がある。
− コグニティブ(認識による)無線ネットワーク(cognitive radio network)では、認可スペクトルがプライマリユーザ(primary user)に割り当てられる。残りの装置は、プライマリユーザ(PU)が使用していない認可スペクトルを見つけて使用すべきである。しかしながら、ルータがデータパケットを転送している間にプライマリユーザが復帰(come back)する場合、ルータは何を実行できるのか?
− あて先装置がソース装置からデータパケットを受信したときには認可スペクトルをどのように処理するのか?
− CRNでは、移動装置が、プライマリユーザの認可スペクトルを機会主義的に(opportunistically)使用することができ、PUに対する干渉を引き起こさない。
− スペクトルセンシングは、使用されていない認可スペクトルを見つける鍵となる技術であり、スペクトルセンシングは基本的に、個別スペクトルセンシング(individual spectrum sensing)と協調(cooperative)スペクトルセンシングとに分類することができる。ディープシャドウイング(deep shadowing)およびマルチパスフェーディング(multipath fading)のため、装置が、個別スペクトルセンシングによってディープシャドウイング効果からホワイトスペース(white space)を区別することが非常に難しいことがときどきある。したがって、CSS(協調スペクトルセンシング)の主要な着想は、空間的に位置するSU(セカンダリユーザ(secondary user))の観察を介して空間的ダイバシティを利用することによってセンシング性能を高めることである。協調により、SUは、そのセンシング情報をシステムと共有して、個別の判断に比べて高い正確度で組合せ判断(combined decision)を下すことができる。
− 中央CRNでは、フュージョンセンター(fusion center)が、動的スペクトル割当てのためのCSSの管理を担当する。フュージョンセンターを用いて上記の技術的問題に対処することができる。
空き(アイドル)認可(された)スペクトル(idle licensed spectrum)を見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせ(クエリ:query)メッセージを適切なパワーノードに送信すること、
認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを適切なパワーノードから受信すること、および
認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択すること
を含む方法が提供される。
本発明の第2の態様によれば、分散動的スペクトル割当てのためのソース装置であって、
空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信するように構成された送信手段と、
認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを適切なパワーノードから受信するように構成された受信手段と、
認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択するように構成された処理手段と
を備えるソース装置が提供される。
空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージをソース装置から受信すること、
ソース装置に、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択させるために、認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信すること
を含む方法が提供される。
本発明の第4の態様によれば、分散動的スペクトル割当てのためのパワーノードであって、
空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージをソース装置から受信するように構成された受信手段と、
ソース装置に、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択させるために、認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信する送信手段と
を備えるパワーノードが提供される。
本発明、好ましい使用形態および追加の目的は、実施形態の以下の詳細な説明を添付図面とともに読んだときに最もよく理解される。
本発明は、以下の面を検討することを提案する。
本発明では、以下のようないくつかの面で設計が先行技術とは異なる。
− 我々は、いくつかのパワーノードをネットワークから動的に選択するアルゴリズムによる分散選択戦略を設計する。民主的システム(democratic system)のように、パワーノードの有用性が低下した場合またはパワーノードが容認できない振舞いを示す場合には、パワーノードを動的に補充することができる。分散動的スペクトル割当てプロトコルとも呼ばれてよい分散動的スペクトル割当てソリューションでは、空き許可チャネルを見つけるのにパワーノードが極めて重要な役割を果たす。先行技術では、動的スペクトル割当てを管理するのにセントラルオーソリティが使用される。
− ネットワーク内のルーティングが必要な場合、空き許可チャネルを見つけるよう求められるのはソース装置だけである。ルータは、あて先装置がデータパケットを受信するまで空き許可チャネルを使用し続けることができる。先行技術では、それぞれの装置が空き認可チャネルを見つけなければならない。
上記の設計に基づいて、本発明は、図1に示された、ソース装置によって実行される分散動的スペクトル割当てのための方法を提供する。この方法は、
ステップS101で、空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信すること、
ステップS102で、認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを適切なパワーノードから受信すること、および
ステップS103で、認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択すること
を含むことができる。そこにおいてソース装置は、ネットワーク内のあて先装置にデータパケットを送信することを欲している装置とすることができ、実際の必要に応じてソース装置とあて先装置は入れ替わることがある。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信するステップの前に、
適切なパワーノードを選択すること
を含み、適切なパワーノードを選択することがさらに、
初期パワーノードとして複数の装置をランダムに選択すること、
ソース装置に誤った情報を返すまたは情報を返さないパワーノードを初期パワーノードから除外すること
を含むことができる。次いで、残ったノードを適切なパワーノードとすることができる。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、データパケットをルータに送信し、選択された空き認可スペクトルがルータによって使用されるようにするために、選択された空き認可スペクトルを報告することを含むことができる。
例示的な実施形態では、ステップs103が、受信した問い合わせ応答メッセージのうちの半数を超える問い合わせ応答メッセージが同じスペクトルを含む場合に実行される。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、選択された空きスペクトルを適切なパワーノードに報告することを含むことができ、そこにおいては、次いで、選択された空きスペクトルを使用中としてマーク(mark)する。
例示的な実施形態では、問い合わせ応答メッセージがさらに、プライマリユーザが使用中のスペクトルに関する情報を含んでよい。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、適切なパワーノードから新たな問い合わせ応答メッセージを受信すること、および選択された空きスペクトルを保持するプライマリユーザ(PU)が復帰する場合に認可スペクトルの中から新たな空きスペクトルを選択することを含んでよい。PUは、PUの認可スペクトルの使用に関して、ソース装置およびあて先装置を含む一般ユーザよりも高い優先順位を有することができる。
本発明に基づく方法は、スペクトル資源が不足している分散通信ネットワークで使用することができ、分散化された方式で実施することができる。本発明に基づく方法はパワーノードの助けを借りて実行することができ、それらのパワーノードは、例えば以下の例で詳細に説明される提案の「パワーノード選択」アルゴリズムによって選択することができる。
この例では、分散無線通信ネットワークのセンシングチャネルおよび報告チャネルを用いて分散動的スペクトル割当てを管理する方法が、2つの部分、すなわち「パワーノード選択」および「分散動的スペクトル割当てプロトコル」を含んでよい。
本発明では、初期化(initialization)、除外(elimination)および補充(replacement)の3つのステップに基づいてパワーノードを動的に選択することができる。
−初期化:新たなネットワークでは全ての装置が信頼値に関して何も有しない。最初に、パワーノードとなる
個の装置がランダムに選択されることができる。空きチャネルに関するいくらかの誤った情報を報告するいくつかの悪意ある(malicious)パワー装置(power device)が存在するかもしれないため、1つのネットワークに対していくつかのパワーノードが必要である。
など)が誤った情報を報告したとした場合、ソース装置は、
のQueryHitメッセージを含むソース装置のフィードバックを全てのパワーノードに送信することができる。パワーノードは、パワーノードのチャネルデータベース内に保持された認可チャネルに関する情報がソース装置からのフィードバックと矛盾していないかどうかをチェックする。一方、パワーノードは、
の振舞い値(behavior value)
を下式のとおり更新する。
次いで、それぞれのパワーノードにおいて
のパワー値(power value)を下式のように算出することができる。
は、その一群のパワーノードから外される。
はパワー値のしきい値(threshold)であり、予め定めておくことができる。例えば、
は0〜1の間であってよく、
は0.5に設定されてよい。ネットワーク装置のこの初期化ステップにおいて
を回避するため、式(1)の分母は
に設定される。
個のパワーノードが最も信頼できる装置を選択することを我々は論ずることはできない。
個のパワーノードが外される(kicked out)まで我々は待つことができる。次いで、任意選択で、残りの
個のパワーノードがネットワークから新たな
個の装置をランダムに選択して、その一群のパワーノードを補うことができる。nおよびmは自然数である。
図2に示されているように、分散動的スペクトル割当て(DDSA)プロトコルの処理は以下のステップを含むことができる。
など)がQueryメッセージ
を送信する。
は、
が、データパケットを転送するための空き認可スペクトルを見つけることを欲しており、空きチャネルとして検出することができる認可スペクトルが存在するのかどうかについて要求することを示す。
は、
の送信タイムスタンプ(sending timestamp)である。
を受信したら、それぞれのパワー装置はそのチャネルデータベースをチェックし、QueryHitメッセージ
を返す。
は、
番目のパワーノードのIDである。
は、
番目の認可スペクトルのIDである。
は、
の応答
のタイムスタンプである。式
にふさわしいスペクトルを
に与えることを意味している。
のこの式には以下の2つの利点がある。1)全てのパワーノードが
の同じ値を返し、そのため、
は、
がパワーノードからのものであるかどうかをチェックすることができる。2)
は、パワーノードだけが保持することができる不可逆的ハッシュ関数であり、そのため悪意のある装置は、たとえID(
および
)を知っていたとしても
を偽造することができない。特に、同じ空き認可チャネルの競合を回避するため、全てのソース装置およびパワーノードは、このプロトコルの以下の3つの強制されたルールに従わなければならない。1)全てのソース装置は、それぞれのソース装置がQueryHitメッセージ
を受信するまで空き認可スペクトルを見つけることができない。2)パワーノードは送信タイムスタンプの順番に
を返す。3)データパケットを受信したあて先装置からパワーノードが空きチャネルのフィードバックを取得したとき、
には予め認可スペクトルのIDが加えられるべきである。
が
を含む場合、
は、
スペクトルが空いているかどうかをチェックする。同じ認可スペクトルを含む
が半数以下である場合、処理はステップ1に戻り、新たな
を待つ。
が空きスペクトルである場合、
は、その空き認可スペクトルを含む
のセンシング結果をパワーノードに報告し、ステップ4に進む。空きスペクトルでない場合、
はやはりセンシング結果をパワーノードに報告し、ステップ1に戻る。センシング結果を取得すると、パワーノードは、
スペクトルをパワーノードのチャネルデータベースに使用中としてマークする。費用を節約するため、
を保持するPUが
を使用するために復帰するまで、またはあて先装置がデータパケットを受信するまで、
のデータパケットの転送を担当するルータも、マークされた
スペクトルを使用することができる。
が、そのデータパケットおよびセンシング結果を、ルータを含むルーティング経路に送信する。DDSAがコグニティブ無線ネットワークで実行されており、
を保持するPUが復帰する場合、ルーティング経路上のルータは
スペクトルから退き(withdraw)、ステップ5へ進むべきである。それ以外の場合には直接にステップ6へ進む。
スペクトルが取り消された(withdrawn)ことをルータがパワーノードに知らせる。(2)(丸で囲んだ数字2)パワーノードが新たな
を
に送信し、新たな空きチャネルを探知(センス:sense)するよう
に求める。(3)(丸で囲んだ数字3)
が再び別の空きスペクトルを見つけ、新たな空きチャネルのセンシング結果をパワーノードに送信する。(4)(丸で囲んだ数字4)
のデータパケットの転送を継続するために、パワーノードがその新たな空きチャネルをルータに認める(accredit)。
のデータパケットを受信したら、あて先装置はできるだけ早くパワーノードにその空きチャネルを戻さなければならない。
本発明はさらに、図3に示された、分散動的スペクトル割当てのためのソース装置を提供する。このソース装置は、
空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信するように構成された送信手段110と、
認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを適切なパワーノードから受信するように構成された受信手段120と、
認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択するように構成された処理手段130と
を備えることができる。
適切なパワーノードを選択するように構成された選択手段140
を備えてよく、ここにおいて選択手段140がさらに、
初期パワーノードとして複数の装置をランダムに選択し、
ソース装置に誤った情報を返すまたは情報を返さないパワーノードを初期パワーノードから除外する
ように構成されている。
例示的な実施形態では、選択手段140がさらに、除外されたパワーノードと同じ数の新たなパワーノードを補うように構成されている。
例示的な実施形態では、送信手段110がさらに、データパケットをルータに送信し、ルータによって使用される選択された空き認可スペクトルを報告するように構成されている。
例示的な実施形態では、そこにおいて送信手段110がさらに、選択された空きスペクトルを適切なパワーノードに報告するように構成されており、次いで、選択された空きスペクトルを使用中としてマークする。
例示的な実施形態では、そこにおいて問い合わせメッセージが、ソース装置のID、空き認可スペクトルを求めるリクエスト、および問い合わせメッセージの送信タイムスタンプを含み、問い合わせ応答メッセージが、パワーノードのID、認可スペクトルのID、および問い合わせ応答メッセージの送信タイムスタンプを含む。
例示的な実施形態では、問い合わせ応答メッセージがさらに、プライマリユーザが使用中のスペクトルに関する情報を含む。
例示的な実施形態では、受信手段120がさらに、適切なパワーノードから新たな問い合わせ応答メッセージを受信しているように構成されており、選択手段140がさらに、選択された空きスペクトルを保持するプライマリユーザが復帰する場合に認可スペクトルの中から新たな空きスペクトルを選択しているように構成されている。
ステップS201で、空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージをソース装置から受信すること、
ステップS202で、ソース装置に、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択させるために、認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信すること
を含むことができる。
上記の分散動的スペクトル割当てのための方法を実施するために、複数のパワーノードを一緒に使用することができる。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、
ステップS203で、選択された空きスペクトルに関する報告をソース装置から受信すること、および
ステップS204で、選択された空きスペクトルをパワーノードのデータベースに使用中としてマークすること
を含むことができる。
例示的な実施形態では、問い合わせ応答メッセージがさらに、プライマリユーザが使用中のスペクトルに関する情報を含んでよい。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、
選択された空きスペクトルを保持するプライマリユーザが復帰することを示す報告をルータから受信すること、
新たな問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信すること、および
ソース装置によって選択された新たな空き認可スペクトルを受信し、新たな空き認可スペクトルをルータが使用することを認めること
を含んでよい。
例示的な実施形態では、この方法がさらに、あて先装置がソース装置からデータパケットを受信した後にあて先装置によって戻される空き認可スペクトルを受信することを含んでよい。
空き認可スペクトルを見つけるようソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージをソース装置から受信するように構成された受信手段210と、
ソース装置に、使用される認可スペクトルからの空き認可スペクトルを選択させるように、認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信するよう構成された送信手段220と
を備える。
例示的な実施形態では、受信手段210がさらに、選択された空きスペクトルに関する報告をソース装置から受信するように構成されており、パワーノードがさらにマーキング手段230を備えてよく、マーキング手段230が、選択された空きスペクトルをパワーノードのデータベースに使用中としてマークするように構成されている。
例示的な実施形態では、問い合わせメッセージが、ソース装置のID、空き認可スペクトルを求めるリクエスト、および問い合わせメッセージの送信タイムスタンプを含んでよく、問い合わせ応答メッセージが、パワーノードのID、認可スペクトルのID、および問い合わせ応答メッセージの送信タイムスタンプを含んでよい。
例示的な実施形態では、受信手段210がさらに、選択された空きスペクトルを保持するプライマリユーザが復帰することを示す報告をルータから受信するように構成されており、
送信手段220がさらに、新たな問い合わせ応答メッセージをソース装置に送信するように構成されており、
受信手段210がさらに、ソース装置によって選択された新たな空き認可スペクトルを受信し、新たな空き認可スペクトルをルータが使用することを認めているように構成されている。
例示的な実施形態では、受信手段210がさらに、あて先装置がソース装置からデータパケットを受信した後にあて先装置によって戻される空き認可スペクトルを受信するように構成されている。
− 認可スペクトルが不足している無線通信ネットワークに対する動的スペクトル割当てを分散化された方式で管理することができる。
− セントラルオーソリティがない場合には、分散選択戦略によってパワーノードを選択することができる。
− DDSAプロトコルでは、全てのソース装置がパワーノードから問い合わせ応答メッセージを受信するまで、ソース装置が空き認可スペクトルを見つけることができず、したがって、いくつかの装置が同じ認可スペクトルを要求したときに起こされる競合を回避することができる。
− DDSAプロトコルでは、データパケットの転送を担当するルータも、ソース装置が見つけた空き認可スペクトルを使用することができ、したがって先行技術に比べてネットワークの負荷が低減する。
本発明の特定の実施形態を開示したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくそれらの特定の実施形態に変更を加えることができることを当業者は理解する。したがって、本発明の範囲はそれらの特定の実施形態だけに限定されない。添付の特許請求の範囲は、本発明の範囲に含まれる全ての用途、変更および実施形態をカバーすることが意図されている。
Claims (16)
- ソース装置によって実行される分散動的スペクトル割当てのための方法であって、
空き認可スペクトル(idle licensed spectrum)を見つけるよう前記ソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信すること、
認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを前記適切なパワーノードから受信すること、および
前記認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、前記認可スペクトルから、ルータがデータパケットを転送するために使用する空き認可スペクトルを選択すること
を含み、
前記問い合わせメッセージの前記適切なパワーノードへの前記送信の前に、
適切なパワーノードを選択すること
をさらに含み、適切なパワーノードを選択することが、
初期パワーノードとして複数の装置をランダムに選択すること、
前記ソース装置に誤った情報を返すまたは情報を返さないパワーノードを前記初期パワーノードから除外すること
をさらに含む、
方法。 - 前記適切なパワーノードの前記選択がさらに、
除外された前記パワーノードと同じ数の新たなパワーノードを補うこと
を含む、請求項1に記載の方法。 - データパケットをルータに送信し、選択された空き認可スペクトルがルータによって使用されるようにするために、前記選択された前記空き認可スペクトルを報告すること
をさらに含む、請求項1又は2に記載の方法。 - 前記認可スペクトルが空いているかどうかの前記決定が、受信した問い合わせ応答メッセージのうちの半数を超える問い合わせ応答メッセージが同じスペクトルを含む場合に実行される、請求項1又は2に記載の方法。
- 選択された前記空きスペクトルを前記適切なパワーノードに報告することをさらに含み、次いで、前記選択された空きスペクトルを使用中としてマークする、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記問い合わせメッセージが、ソース装置のID、空き認可スペクトルを求めるリクエスト、および前記問い合わせメッセージの送信タイムスタンプを含み、前記問い合わせ応答メッセージが、パワーノードのID、認可スペクトルのID、および前記問い合わせ応答メッセージの送信タイムスタンプを含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記問い合わせ応答メッセージがさらに、プライマリユーザが使用中のスペクトルに関する情報を含む、請求項6に記載の方法。
- 前記適切なパワーノードから新たな問い合わせ応答メッセージを受信すること、および
選択された前記空きスペクトルを保持するプライマリユーザが復帰する場合に前記認可スペクトルの中から新たな空きスペクトルを選択すること
をさらに含む、請求項7に記載の方法。 - 分散動的スペクトル割当てのためのソース装置であって、
空き認可スペクトルを見つけるよう前記ソース装置が要求することを示す問い合わせメッセージを適切なパワーノードに送信するように構成された送信手段と、
認可スペクトルを示す問い合わせ応答メッセージを前記適切なパワーノードから受信するように構成された受信手段と、
前記認可スペクトルが空いているかどうかを決定し、前記認可スペクトルから、ルータがデータパケットを転送するために使用する空き認可スペクトルを選択するように構成された処理手段と
を備え、
適切なパワーノードを選択するように構成された選択手段
をさらに備え、前記選択手段がさらに、
初期パワーノードとして複数の装置をランダムに選択し、
前記ソース装置に誤った情報を返すまたは情報を返さないパワーノードを前記初期パワーノードから除外する
ように構成されている、
ソース装置。 - 前記選択手段がさらに、
除外された前記パワーノードと同じ数の新たなパワーノードを補う
ように構成されている、請求項9に記載のソース装置。 - 前記送信手段がさらに、データパケットをルータに送信し、ルータによって使用される選択された前記空き認可スペクトルを報告するように構成されている、請求項9又は10に記載のソース装置。
- 前記処理手段が、受信した問い合わせ応答メッセージのうちの半数を超える問い合わせ応答メッセージが同じスペクトルを含む場合に前記認可スペクトルが空いているかどうかを決定するように構成されている、請求項9又は10に記載のソース装置。
- 前記送信手段がさらに、選択された前記空きスペクトルを前記適切なパワーノードに報告するように構成されており、次いで、前記選択された空きスペクトルを使用中としてマークする、請求項9又は10に記載のソース装置。
- 前記問い合わせメッセージが、ソース装置のID、空き認可スペクトルを求めるリクエスト、および前記問い合わせメッセージの送信タイムスタンプを含み、前記問い合わせ応答メッセージが、パワーノードのID、認可スペクトルのID、および前記問い合わせ応答メッセージの送信タイムスタンプを含む、請求項9又は10に記載のソース装置。
- 前記問い合わせ応答メッセージがさらに、プライマリユーザが使用中のスペクトルに関する情報を含む、請求項14に記載のソース装置。
- 前記受信手段がさらに、前記適切なパワーノードから新たな問い合わせ応答メッセージを受信しているように構成されており、前記選択手段がさらに、選択された前記空きスペクトルを保持するプライマリユーザが復帰する場合に前記認可スペクトルの中から新たな空きスペクトルを選択しているように構成されている、請求項14に記載のソース装置。
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