WO2014087835A1 - 無線通信システム - Google Patents

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WO2014087835A1
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array antenna
received
interference
communication system
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キャートベン トウ
雅之 竹川
圭吾 長谷川
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株式会社日立国際電気
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
    • H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
    • H04B7/0842—Weighted combining
    • H04B7/086—Weighted combining using weights depending on external parameters, e.g. direction of arrival [DOA], predetermined weights or beamforming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition

Definitions

  • the present invention relates to a wireless communication system and a wireless communication apparatus that use a white space, and more particularly to interference suppression technology used by the wireless communication apparatus.
  • Non-Patent Document 1 a cognitive radio communication system that flexibly uses a white space has been conducted.
  • each wireless station is a database on an IP network.
  • DB Data Base
  • a transmittable channel list frequency list
  • maximum transmittable power based on the position information of the own station are acquired.
  • the transmittable channel list is collectively managed while being updated at any time by a spectrum manager (SM) in a base station (BS: Base Station).
  • SM spectrum manager
  • the BS determines a channel that can be used for communication based on this transmittable channel list as an operation channel, and a terminal (CPE) such as a slave station or a mobile phone installed in the BS within the service range (cell) of the BS. : Customer (Premises (Equipment)).
  • Each wireless station such as BS and CPE may have a spectrum sensing function.
  • each radio station detects that the determined operation channel is being used by an existing system (primary user's system) by spectrum sensing, each radio station notifies the SM of the information. Then, the SM notifies the DB of the detection information and then excludes this channel from the transmittable channel list.
  • the wireless communication system using the white space avoids the influence on the channel usage of the primary user by performing dynamic spectrum access based on the information updated every moment in this manner, and at the same time, the secondary user. Communication is also realized.
  • a wireless communication system using a white space uses the same frequency band as a primary user's system (for example, digital television (DTV: Digital TeleVision)).
  • a wireless communication system using a white space avoids an influence on a primary user's system.
  • the maximum usable transmission power is 4 W, and in the case of a portable wireless station, There is a transmission power limitation that the maximum available transmission power is 100 mW.
  • White space-use radio stations are subject to relatively strong interference from the DTV system due to transmission power limitations.
  • each radio base station is an adaptive array configured with a plurality of antenna elements.
  • link identification data specific to a linear propagation path of communication with a communication target radio base station, and a radio base station that becomes an interference source when communicating with the communication target radio base station.
  • the radio base station that has received the link identification data receives a radio that becomes an interference source in radio communication with the radio base station based on the link identification data.
  • a wireless system that performs null control in which a null point is directed toward a base station (see, for example, Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to suppress interference from a primary user's system in a wireless communication system using a white space.
  • the wireless communication system of the present invention is a wireless communication system that performs communication between a base station and a wireless communication terminal, and the wireless communication terminal includes an array antenna, an interference wave signal detection means, and an interference wave arrival direction estimation means.
  • the interference wave signal detection means receives an interference wave when there is no communication with the base station, and the interference wave arrival direction estimation means detects a steering vector from the interference wave signal received by the interference wave signal detection means. .
  • the wireless communication system of the present invention is the above-described wireless communication system, wherein the wireless communication terminal has an interference wave suppression means.
  • the wireless communication system of the present invention is the above-described wireless communication system, wherein the interference wave suppressing means uses a steering vector for the array antenna.
  • a service area of a secondary user's system (for example, a wireless communication system using a white space) is caused by interference received from a primary user's system (for example, a DTV). Even if it decreases, the interference received from the primary user system according to the present invention can be suppressed, and the reduction of the service area of the wireless communication system using the white space can be minimized.
  • a primary user's system for example, a DTV
  • wireless communications system which concerns on embodiment of this invention The wave form diagram explaining suppression of the interference wave signal in the radio
  • 1 is a functional block diagram of a wireless communication terminal 21 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of an adaptive array receiver of the wireless communication terminal 21 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a radio communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless communication system 1 is a wireless communication system that uses a white space.
  • a wireless communication system 1 includes a CPE 21 and a CPE 22 that are wireless communication terminals that are installed in each house, a BS 10 that is a base station to which these wireless communication terminals are connected,
  • the network 40 and a white space database (hereinafter referred to as “database”) 50 are configured.
  • the BS 10 is connected to the network 40 through the backhaul line 30 and accesses the database 50 existing on the network.
  • a communication system (hereinafter referred to as “existing system”) 2 of a primary user who is licensed for frequency use from a country is configured to include a transmitting station 70 and a receiving station 80, and It is assumed that the primary user has a license for the frequency f1 from the country. In the following description, it is assumed that a secondary user who has not received a use license for the frequency f1 from the country uses the frequency f1 as a white space.
  • the service of the wireless communication system 1 is performed with a sufficient separation distance 3 from the service area of the existing system 2. If the area is arranged and the transmission power of the radio stations constituting the radio communication system 1 is made sufficiently small, even if the radio communication system 1 performs transmission using the frequency f1, communication can be performed without causing interference to the existing system 2. Can be done.
  • the separation distance 3 is a protection standard for preventing the radio wave radiated from the wireless communication system 1 from affecting the received electric field strength in the service area of the existing system 2.
  • the protection standard for the separation distance 3 shall be defined by each regulatory body.
  • DTV broadcasting is considered as an existing system 2 assumed in IEEE 802.22, for example, a higher-order modulation method is used in DTV broadcasting. Since the radius of the broadcast area of the existing system 2 is longer than the radius of the service area of the system 1, the signal-to-interference power ratio (Signal to Interference) of the wireless communication system 1 can be obtained even outside the broadcast area of the existing system 2. There is a high possibility that a DTV broadcast signal having a sufficient strength to degrade power (Ratio: SIR) exists in the service area of the wireless communication system 1.
  • SIR strength to degrade power
  • the maximum SNR (MSN) array antenna of Non-Patent Document 2 can be applied to suppress interference received from the existing system 2.
  • MSN maximum SNR
  • the derivation of the optimal weight of the adaptive array is shown below.
  • the MSN algorithm literally adjusts the weighting coefficient so as to maximize the output SNR. Therefore, first, an output SNR that is an evaluation function is obtained. As shown in Expression 1, it is assumed that the input vector x (t) includes a desired wave component s (t), an interference wave component u (t), and a noise component n (t).
  • Equation 2 the desired wave component ys (t), the interference wave component yu (t) and the noise component yn (t) in the output of the adaptive array are expressed by Equation 2, Equation 3, and Equation 4. It is expressed.
  • H, T, and * represent conjugate transpose, transpose, and complex conjugate, respectively.
  • the respective output powers are represented by Equation 5, Equation 6, and Equation 7.
  • E [] is an expected value
  • Rss and Ruu are correlation matrices of a desired wave and an interference wave, respectively
  • Pn is a noise power per element.
  • the desired wave component s (t) is expressed by the following Equation 8.
  • the second term s (t) represents the complex amplitude (not a vector) of the desired wave at the phase reference point
  • ⁇ s represents the array response vector in the desired wave direction
  • ⁇ s represents the arrival angle of the desired wave.
  • Rss becomes Equation 9.
  • Ps is the input power per element of the desired wave.
  • the output SNR is expressed by Equation 10.
  • Rnn is a correlation matrix of unnecessary wave components (interference wave and noise), and is defined by Equation 11.
  • I is a unit matrix.
  • Equation 14 is the optimum weight of the MSN adaptive array.
  • the arrival direction information of the desired wave is required.
  • the desired wave of the CPE of the wireless communication system 1 arrives from the 0 degree direction with respect to the base station direction, it is necessary to estimate the arrival direction of the interference wave.
  • the interference wave steering vector is obtained by receiving and analyzing the interference wave component during the QP (Quiet Period) QP period provided for sensing the existing system 2. Can be detected.
  • FIG. 2 is a waveform diagram for explaining suppression of interference wave signals in the radio communication system according to the embodiment of the present invention.
  • the BS 10 serving as the base station of the wireless communication system 1 and the CPE 21 and CPE 22 serving as the wireless communication terminals are in a non-communication state.
  • the steering vector of the interference wave can be detected.
  • the MSN array antenna By applying the MSN array antenna, interference received from the DTV can be suppressed, the service area of the white space wireless communication system can be improved, and the service efficiency of the entire system can be improved.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the CPEs 21 and 22 according to the first embodiment.
  • the CPE 21 includes an array antenna 101, an RF unit 102 that performs frequency conversion from a baseband (BB) to a radio frequency (RF) band, frequency conversion from a radio frequency band to a baseband, signal amplification, and error correction coding.
  • BB baseband
  • RF radio frequency
  • Transmission / reception signal processing unit 103 that performs decoding processing / modulation / demodulation processing, MAC (Medium Access) that performs channel control, transmission / reception timing control, ID addition for identifying a wireless device in a packet, transmission source wireless device recognition, etc.
  • Control Media access control
  • Processing unit 104, I / F unit 105 serving as an interface with a personal computer or a WiFi router, and spectrum sensing signal processing to determine whether a wireless system using a channel exists.
  • a wave number management unit (SM) 107 and a main control unit 108 for managing and controlling the entire radio device are provided.
  • SM wave number management unit
  • each antenna it consists of array antenna 101 and a plurality of antennas that can be separately received.
  • Various antennas such as a built-in inverted F antenna, a horizontal omnidirectional dipole antenna, and a high gain Yagi antenna can be used for each antenna.
  • the gain (directivity) of an antenna that radiates radio waves in white space should be under sufficient control.
  • a simple way to meet this requirement is to use only one of the antennas for transmission to fix the gain.
  • the operating frequency of each antenna (the frequency at which the standing wave ratio is below a predetermined value) is made different, for example, UHF-Low, Mid, High, and the optimum one is selected according to the operating frequency. Also good.
  • the MAC processing unit 104 interprets the MAC layer management message transmitted from the BS 11 and transmits the signal to each unit that should execute the content of the management message.
  • the management message notifies the CPE 21 of TDD timing (uplink subframe start position), QP period schedule, and the like.
  • TDD timing is essential for the operation of the RF unit 102 and the like.
  • the MAC processing unit 104 provides the RF unit 102 and the transmission / reception signal processing unit 103 with a QP period signal generated based on the notified schedule of the QP period.
  • the frequency management unit 107 basically knows available channels from the management message received from the BS 11.
  • the frequency management unit 107 may include a part of a self-coexistence function that detects an interference risk based on a coexistence beacon received from a neighboring cell of the same wireless method and notifies the BS.
  • the main control unit 108 can be constituted by, for example, a processor, a data storage area defined on the memory, and software.
  • the transmission / reception signal processing unit 103, the MAC processing unit 104, the sensing unit 106, and the frequency management unit 107 are The program executed by the main control unit 108 can be replaced.
  • FIG. 4 is a block diagram of the adaptive array receiver 300 of the CPE 21 according to the first embodiment.
  • the adaptive array receiving unit 300 shown in FIG. 4 is a part of the configuration of the RF unit 102 and the transmission / reception signal processing unit 103 shown in FIG.
  • Received signals appropriately extracted from the feed lines of the antennas 301-1 to 301-3 of the array antenna 101 through TDD switches, circulators, duplexers, and the like are guided to weighting sections 302-1 to 302-3, respectively.
  • Weighting sections 302-1 to 302-3 apply the optimum weight obtained by Equation 14 to each received signal.
  • the optimum weight is normalized according to some rule. For example, the absolute sum (sum of squares) of each optimum weight is always 1.
  • the adding unit 303 additively synthesizes the reception signals weighted by the weighting units 302-1 to 302-3 into one signal and outputs it.
  • This combined reception signal can be handled as a signal received by one antenna in the transmission / reception signal processing unit 103. Although it may be given to the sensing unit 106, when detection of the primary system is intended, it is safer to give a composite signal with a weight that makes the array antenna 101 look like an omnidirectional antenna.
  • the control unit 304 updates the optimal weight based on the combined received signal and the current optimal weight while the input QP period signal (QP indicator) indicates that it is within the QP period, and the updated optimal weight is a weighting unit. 302.
  • the update is not performed outside the period, and the current optimum weight is continuously given.
  • individual received signals before being synthesized by the adding unit 303 may be input.
  • the MSN algorithm since the MSN algorithm is operated during a quiet period in which neither transmission nor reception by the own system is performed, that is, all received signals are interference waves, there is no knowledge of interference waves. However (even with blinds) optimal steering can be achieved and there is no problem if there are multiple interference sources.
  • the QP performs control to synchronize between adjacent base stations on the base station side, and when the QP period is reached, the same type of system can stop transmission at the same time and perform sensing.
  • a service area of a secondary user's system (for example, a wireless communication system using a white space) is caused by interference received from a primary user's system (for example, a DTV). Even if it decreases, the interference received from the primary user system according to the present invention can be suppressed, and the reduction of the service area of the wireless communication system using the white space can be minimized.
  • the wireless communication system according to the present embodiment is particularly suitable for the wireless communication system defined by IEEE 802.22, but is not limited to this. It should be noted that the scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but includes all embodiments that provide the same effects as those intended by the present invention. Further, the scope of the invention can be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features.
  • the present invention can be applied to a wireless communication apparatus and method for selecting and using a frequency from a frequency band shared with other systems, such as IEEE802.22, IEEE802.11af, IEEE802.15.4m, IEEE1900.7 (Dyspan), and ECMA- It is suitable for various wireless access systems using a television white space such as 392.
  • a frequency band shared with other systems such as IEEE802.22, IEEE802.11af, IEEE802.15.4m, IEEE1900.7 (Dyspan), and ECMA- It is suitable for various wireless access systems using a television white space such as 392.
  • 1 wireless communication system
  • 10 BS, 21, 22: CPE, 3: isolation distance
  • 70 transmitting station
  • 2 existing system
  • 80 receiving station
  • 30 backhaul line
  • 40 network
  • 50 DB
  • 101 Array antenna 101
  • 102 RF unit
  • 103 Transmission / reception signal processing unit
  • 104 MAC (Medium Access Control) processing unit
  • 105 I / F unit
  • 106 Sensing unit
  • 107 Frequency management unit (SM)
  • 108 main control unit
  • 300 MSN adaptive array
  • 301-1 to 301-N antenna
  • 302-1 to 302-N weighting unit
  • 303 addition unit
  • 304 control unit.

Landscapes

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Abstract

ホワイトスペースを利用する無線通信システムで、一次利用者のシステムへ与干渉は盛んに検討されている一方、被干渉環境への対策は不十分であった。本発明では、無線通信端末は、アレーアンテナ101と、１次システムを検知する目的で設けられ前記基地局から事前に通知される静寂期間の情報を解釈し、静寂期間信号を生成するＭＡＣ処理部104と、前記アレーアンテナの各アンテナの受信信号を、重み係数により重み付き合成する合成部303と、前記静寂期間信号がある間、アレーアンテナで受信される干渉信号を抑圧するように重み係数を最適化するアレーアンテナ制御部304と、を備えた。最適化された重み係数は、少なくとも基地局11からの下り信号を受信する間、適用され、１次利用システムをセンシングする間は適用されない。最適化には、信号対干渉比を最大化する周知のアルゴリズムが使用できる。

Description

無線通信システム
　本発明は、ホワイトスペースを利用する無線通信システム及び無線通信装置に関し、特に、無線通信装置が利用する干渉抑圧技術に関するものである。
　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、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）８０２．２２で標準化が行われている、ホワイトスペースを利用する無線通信システム（ＷＲＡＮ：Wireless Regional Area Network）では、各無線局は、ＩＰネットワーク上のデータベース（ＤＢ：Data Base）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チャネルリスト（周波数リスト）と最大送信可能電力とを取得する。送信可能チャネルリストは、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、随時更新をしながら一括管理されている。そして、ＢＳはこの送信可能チャネルリストに基づき通信に利用可能なチャネルを、運用チャネルとして決定し、ＢＳのサービス範囲（セル）内の、戸別に設置される子局や携帯電話等の端末（ＣＰＥ：Customer Premises Equipment）と通信を行う。
　ＳＭはスペクトルセンシング情報の管理を行う。ＢＳおよびＣＰＥ等の各無線局はスペクトルセンシング機能を具備していることもある。各無線局は、スペクトルセンシングによって、決定された運用チャネルが既存システム（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ＤＢに検知情報を通知した上で、送信可能チャネルリストからこのチャネルを除外する。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、一次利用者のチャネル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、ホワイトスペースを利用する無線通信システムは一次利用者のシステム（例えばデジタルテレビ（ＤＴＶ：Digital TeleVision））と同じ周波数帯を使用している。また、ホワイトスペースを利用する無線通信システムは一次利用者のシステムへの影響を回避することが利用前提である。一次利用者のシステムへの影響を回避する方法としては例えば、ＩＥＥＥ８０２．２２では、ホワイトスペースを利用する無線通信システムが固定無線局の場合、最大利用できる送信電力が４Ｗ、携帯無線局の場合、最大利用できる送信電力が１００ｍＷという送信電力制限がある。ホワイトスペース利用無線局は送信電力制限によって、相対的に強い干渉をＤＴＶシステムから受けることが運用課題となっている。
　従来、複数の無線基地局間での通信で発生する干渉を容易に防止するため、互いに無線通信を行う無線基地局を複数有し、各無線基地局は複数のアンテナ素子で構成されるアダプティブアレイアンテナを備え、通信対象の無線基地局との通信の直線伝搬経路に特有のリンク識別用データと、通信対象の無線基地局との通信時に干渉源となる無線基地局とを関連付けて記憶し、通信対象の無線基地局からリンク識別用データを受信すると、当該リンク識別用データを受信した無線基地局は、リンク識別用データに基づいて、当該無線基地局との無線通信で干渉源となる無線基地局の方向にヌル点を向けるヌル制御を行う無線システムがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４－１４７０７９号公報 特開２００８－３０６６６２号公報 特許第４８０６６６０号公報
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＜ＵＲＬ：http://businessnetwork.jp/tabid/65/artid/110/page/1/Default.aspx＞ 菊間 信良、"アレーアンテナの基礎"、インターネット＜ＵＲＬ：http://apmc-mwe.org/MicrowaveExhibition2010/program/tutorial2009/TL03-01.pdf＞ 米国電気電子学会（IEEE）ComputerSociety編、「IEEE Std 802.22-2011 Part 22: CognitiveWireless RAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications: Policies and Procedures for Operation in the TV Bands」、（米国）、ＩＥＥＥ標準化協会、２０１１年７月２７日
　無線通信システムにおいて、これまで一次利用者のシステムへの影響に関する議論と対策は多く行われてきたが、一次利用者のシステムへの影響を回避しても、一次利用者のシステムから影響を受ける可能性がある。一次利用者のシステムからの干渉によって、ホワイトスペースを利用する無線通信システムのサービスエリアが減少する。
　本発明の目的は、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、一次利用者のシステムからの干渉を抑圧することである。
　本発明の無線通信システムは、基地局と無線通信端末とで通信を行う無線通信システムであって、無線通信端末はアレーアンテナと、干渉波信号検出手段と、干渉波到来方向推定手段を有し、干渉波信号検出手段は基地局との無通信状態時に干渉波を受信し、干渉波到来方向推定手段は干渉波信号検出手段で受信した干渉波信号からステアリングベクトルを検出することを特徴とする。
　また、本発明の無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、無線通信端末は干渉波抑圧手段を有することを特徴とする。
　さらに、本発明の無線通信システムは、上述の無線通信システムであって、干渉波抑圧手段はアレーアンテナにステアリングベクトルを用いることを特徴とする。
　本発明によれば、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、二次利用者のシステム（例えばホワイトスペースを利用する無線通信システム）のサービスエリアが一次利用者のシステム（例えばＤＴＶ）から受ける干渉によって減少しても、本発明による一次利用者システムから受ける干渉を抑圧し、ホワイトスペースを利用する無線通信システムのサービスエリアの縮小を最小限に抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る無線通信システムの構成図。 本発明の実施の形態に係る無線通信システムにおける干渉波信号の抑圧を説明する波形図。 本発明の実施例１に係る無線通信端末２１の機能ブロック図。 実施例１の無線通信端末２１のアダプティブアレー受信部のブロック図。
　以下、本発明の詳細について図を用いてに説明する。
　図１は、本発明の実施の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である。
　図１に示すように、無線通信システム１は、戸別に設置される無線通信端末である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、ネットワーク４０と、ホワイトスペースデータベース（以下、「データベース」という）５０を含んで構成される。
　ＢＳ１０は、バックホール回線３０を通してネットワーク４０に接続され、ネットワーク上に存在するデータベース５０へのアクセスを行う。
　また、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通信システム（以下、「既存システム」という）２は、送信局７０と受信局８０とを含んで構成されており、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ものとする。以下の説明においては、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、既存システム２が周波数ｆ１を使用して通信を行っている時でも、既存システム２のサービスエリアから十分な離隔距離３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、無線通信システム１が周波数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可能である。離隔距離３は無線通信システム１からの放射電波が既存システム２のサービスエリア内の受信電界強度に影響を与えないための保護基準とする。離隔距離３の保護基準については各規制機関によって規定されるものとする。このように、ホワイトスペース無線システムは、地理的に使用可能な周波数資源を有効利用できる。
　ところで、例えばＩＥＥＥ８０２．２２で想定される既存システム２としてＤＴＶ放送を考えた場合に、ＤＴＶ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、無線通信システム１のサービスエリア半径よりも既存システム２の放送エリアの半径が長いケースが多いことから、既存システム２の放送エリア外であっても、無線通信システム１の信号対干渉電力比（Signal to Interference power Ratio:ＳＩＲ）を劣化させるに十分な強度のＤＴＶ放送信号が無線通信システム１のサービスエリア内に存在している可能性が高い。よって、無線通信システム１は十分な離隔距離３を取って既存システム２への影響を回避しても、既存システム２からの干渉を受けることによって、無線通信システム１のサービスエリアが減少する課題がある。従って、無線通信システム１の無線通信端末において、既存システム２から受ける干渉を抑圧する技術が必要となる。
　ここで、干渉抑圧技術の方式として、例えば、非特許文献２の最大ＳＮＲ法（ＭＳＮ）アレーアンテナを適用して、既存システム２から受ける干渉を抑圧することが可能となる。ＭＳＮアルゴリズムに基づいて、アダプティブアレーの最適ウェイトの導出は下記に示す。
　ＭＳＮアルゴリズムは、文字通り、出力ＳＮＲを最大にするように、重み係数を調整するアルゴリズムである。したがって、まずは評価関数である出力ＳＮＲを求める。
数式１の示すように、入力ベクトルｘ（ｔ）は所望波成分ｓ（ｔ）、干渉波成分ｕ（ｔ）および雑音成分ｎ（ｔ）から構成されているとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このとき、アダプティブアレーの出力における所望波成分ｙs（ｔ）、干渉波成分ｙu（ｔ）および雑音成分ｙn（ｔ）は、数式２、数式３、数式４となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 と表される。ここで、上添字Ｈ、Ｔ、＊はそれぞれ共役転置、転置、複素共役を表す。
　それぞれの出力電力は数式５、数式６、数式７となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　ただし、Ｅ［　］は期待値であり、ＲssおよびＲuuはそれぞれ所望波、干渉波の相関行列であり、Ｐnは素子あたりの雑音電力である。
　一方、所望波の帯域幅が十分狭いと仮定すると、所望波成分ｓ（ｔ）は次の数式８で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　第二項のｓ（ｔ）は位相基準点における所望波の複素振幅（ベクトルではない）、νsは所望波方向のアレー応答ベクトル、θsは所望波の到来角を表す。このとき、Ｒssは、数式９となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　ただし、Ｐsは所望波の素子あたりの入力電力である。こうして出力ＳＮＲは数式１０で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　ここで、Ｒnnは不要波成分（干渉波および雑音）の相関行列であり、数式１１で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　ただし、Ｉは単位行列である。
　出力ＳＮＲを最大にするウェイトベクトルＷの値（最適ウェイト）は数式１０のウェイトベクトルに関する勾配を零とおくこと、すなわち、数式１２によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　最終的に数式９および数式１３の関係を用いると、最適ウェイトＷoptは、数式１４から得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　数式１４がＭＳＮアダプティブアレーの最適ウェイトである。
　最適ウェイトＷｏｐｔは、数式１５のＶs（ＭＳＮではステアリングベクトルと呼ばれる）を用いるため、所望波の到来方向情報を必要とする。無線通信システム１のＣＰＥの所望波は基地局方向に対して０度方向から到来することが既知であるが、干渉波の到来方向を推定する必要がある。干渉波の推定方法については、既存システム２をセンシングするために設けた無通信区間である（ＱＰ：Quiet Period）ＱＰ期間中に干渉波成分を受信して解析することにより、干渉波のステアリングベクトルを検知することが可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　図２は本発明の実施の形態に係る無線通信システムにおける干渉波信号の抑圧を説明するための波形図である。
　図２に示すように、ＱＰ期間中において、無線通信システム１の基地局であるＢＳ１０、無線通信端末であるＣＰＥ２１およびＣＰＥ２２は無通信の状態である。このＱＰ期間において、干渉波のみ受信することによって、干渉波のステアリングベクトルを検知することが可能となる。
　ＭＳＮアレーアンテナを適用することによってＤＴＶから受ける干渉を抑圧し、ホワイトスペース無線通信システムのサービスエリアを改善することができ、システム全体のサービス効率向上を実現可能である。
　本実施例１では、図１に示した無線通信端末（ＣＰＥ２１，２２）の構成の一例を説明する。本例においても、ＣＰＥ２１等は、ＩＥＥＥ８０２．２２に依拠しているものとする。
　図３は、本実施例１のＣＰＥ２１，２２等の機能ブロック図である。ＣＰＥ２１は、アレーアンテナ１０１と、ベースバンド（ＢＢ）から無線周波数（ＲＦ）帯への周波数変換や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などを行うＲＦ部１０２と、誤り訂正符号化／復号処理や変復調処理を行う送受信信号処理部１０３と、使用するチャネルや送受信のタイミング制御やパケットに無線機を識別するためのＩＤの付加や送信元無線機の認識などを行うＭＡＣ（Medium Access Control；メディアアクセス制御）処理部１０４と、パソコンやWiFiルーターなどとのインターフェースとなるＩ／Ｆ部１０５と、チャネルを利用する無線システムが存在するかどうかを判断すべくスペクトラムセンシングの信号処理を行うセンシング部１０６と、ホワイトスペースとして利用可能なチャネルを記憶・管理する周波数管理部（ＳＭ）１０７と、無線機全体を管理制御する主制御部１０８と、を備えている。
　アレーアンテナ１０１と、別個に受信可能な複数のアンテナからなる。各アンテナは、組込み用の逆Ｆアンテナ、水平無指向のダイポールアンテナ、高利得の八木アンテナ等、各種のものが使用でき、それらは向きを手で変えられるようなものでもよい。なお、ホワイトスペースで電波を放射するアンテナの利得（指向性）は、十分な管理下にあるべきである。この要求を満たす簡単な方法は、送信には、複数のアンテナのうちの１つのみを使用して利得を固定することである。各アンテナの動作周波数（定在波比が所定値以下となる周波数）を、例えばUHF-Low,Mid,Highという風に互いに異ならせ、使用周波数に応じて最適な１つを選択するようにしてもよい。
　ＭＡＣ処理部１０４は、ＢＳ１１から送信されたＭＡＣ層の管理メッセージを解釈し、管理メッセージの内容を実行すべき各部にその信号を伝達する。管理メッセージでは、ＴＤＤタイミング（上りサブフレームの開始位置）、ＱＰ期間のスケジュール等がＣＰＥ２１に通知される。なおＩＥＥＥ８０２．２２のようなＴＤＤシステムでは、ＴＤＤタイミングはＲＦ部１０２等の動作に必須である。ＭＡＣ処理部１０４は、ＴＤＤタイミングの他、通知されたＱＰ期間のスケジュールに基づいて生成したＱＰ期間信号をＲＦ部１０２や送受信信号処理部１０３に提供する。
　周波数管理部１０７は、基本的にはＢＳ１１から受信した管理メッセージにより、利用可能なチャネルを知る。周波数管理部１０７には、同じ無線方式の近隣セルから受信した共存ビーコン等に基づき、干渉のリスクを検知し、ＢＳに通報する動作を行う自己共存機能の一部が含まれうる。
　主制御部１０８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り、送受信信号処理部１０３、ＭＡＣ処理部１０４、センシング部１０６、周波数管理部１０７は、主制御部１０８が実行するプログラムに置き換えることも可能である。
　図４は、本実施例１のＣＰＥ２１のアダプティブアレー受信部３００のブロック図である。図４に示すアダプティブアレー受信部３００は、図３のＲＦ部１０２や送受信信号処理部１０３の構成の一部が抜粋されたものである。
　アレーアンテナ１０１の各アンテナ３０１－１～３０１－３の給電線から、適宜ＴＤＤスイッチやサーキュレータ、デュプレクサ等を通じて取り出された受信信号が、重み付け部３０２－１～３０２－３へそれぞれ導かれる。
　重み付け部３０２－１～３０２－３は、数式１４で得られた最適ウェイトを、それぞれの受信信号に適用する。最適ウェイトは何らかの規則で正規化されており、例えば各最適ウェイトの絶対和（自乗和）は常に１である。
　加算部３０３は、重み付け部３０２－１～３０２－３でそれぞれ重み付けされた受信信号を、１つの信号に加算的に合成して出力する。この合成受信信号は、送受信信号処理部１０３において１つのアンテナで受信した信号として、扱うことができる。なお、センシング部１０６に与えてもよいが、１次システムの検知が目的のときは、アレーアンテナ１０１が無指向性アンテナに見えるようなウェイトによる合成信号を与えたほうが安全である。
　制御部３０４は、入力されたＱＰ期間信号（ＱＰ標識）がＱＰ期間内であることを示す間、合成受信信号と現在の最適ウェイトに基づき、最適ウェイトを更新し、更新した最適ウェイトを重み付け部３０２に与える。期間外においては更新はせず、現在の最適ウェイトを与え続ける。相互相関行列を直接的に求める場合、加算部３０３で合成される前の個別の受信信号を入力するようにしてもよい。
　以上のとおり、本実施例によれば、自己のシステムによる送信も受信も行っていない静寂期間、つまり受信信号全てが干渉波のときに、ＭＳＮのアルゴリズムを動作させるので干渉波の知識がなくても（つまりブラインドで）最適ステアリングが達成でき、干渉源が複数あっても問題ない。なおＱＰは、基地局側において、隣接する基地局同士で同期させる制御を行っており、ＱＰ期間になると同種のシステムは一斉に送信をやめセンシングを行うことできるようになっている。
　本発明によれば、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、二次利用者のシステム（例えばホワイトスペースを利用する無線通信システム）のサービスエリアが一次利用者のシステム（例えばＤＴＶ）から受ける干渉によって減少しても、本発明による一次利用者システムから受ける干渉を抑圧し、ホワイトスペースを利用する無線通信システムのサービスエリアの縮小を最小限に抑えることができる。
　また、本実施形態に係る無線通信システムは、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。
　なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
　本発明は、他のシステムと共用の周波数帯から周波数を選んで使用する無線通信装置や方法に適用でき、IEEE802.22、IEEE802.11af、IEEE802.15.4m、IEEE1900.7(Dyspan)やECMA-392等のテレビホワイトスペースを用いる各種の無線アクセスシステムに好適である。
　１：無線通信システム、　１０：ＢＳ、　２１，２２：ＣＰＥ、　３：隔離距離、　７０：送信局、２　：既存システム、　８０：受信局、　３０：バックホール回線、　４０：ネットワーク、　５０：ＤＢ、
　１０１：アレーアンテナ１０１、　１０２：ＲＦ部、　１０３：送受信信号処理部、　１０４：ＭＡＣ（Medium Access Control；メディアアクセス制御）処理部、　１０５：Ｉ／Ｆ部、　１０６：センシング部、　１０７：周波数管理部（ＳＭ）、　１０８：主制御部、
　３００：ＭＳＮアダプティブアレー、３０１－１～３０１－Ｎ：アンテナ、３０２－１～３０２－Ｎ：重み付け部、３０３：加算部、３０４：制御部。

Claims (3)

  1. 　ホワイトスペースの周波数を用いて基地局と通信を行う無線通信端末において、
    　アレーアンテナと、
    　１次システムを検知する目的で設けられ前記基地局から事前に通知される静寂期間の情報を解釈し、静寂期間信号を生成するＭＡＣ処理部と、
    　前記アレーアンテナの各アンテナの受信信号を、重み係数により重み付き合成する合成部と、
    　前記静寂期間信号がある間、アレーアンテナで受信される干渉信号を抑圧するように重み係数を最適化するアレーアンテナ制御部と、を備える無線通信システム。
  2. 　前記アレーアンテナ制御部は、信号対干渉比を最大化するように前記最適化を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線通信端末。
  3. 　前記アレーアンテナの各アンテナは、互いに動作周波数が異なり、送信周波数に最も対応する１つを送信に用い、
    　前記合成部で合成された信号を、１つのアンテナで受信された受信信号として扱うことを特徴とする請求項２に記載の無線通信端末。
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