JP5111197B2 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、基地局と無線通信を行う複数の無線モジュールを備えた無線通信装置に関する。また、本発明は、この無線通信装置が実行する無線通信方法にも関する。

近年、様々な無線システムが広く利用されている。このため、今後、無線システムにおける効率的な周波数の利用は非常に重要となる。この効率的な周波数の利用におけるひとつの手段として、コグニティブ無線がある。ここで、コグニティブ無線とは、周辺の無線環境を認識し、最適な無線メディアを用いて、または、最適な無線メディアの最適な無線チャネルを用いて通信を行うシステムである。

周辺の無線環境を認識し最適な無線メディア（周波数）を選択することにより、周波数利用効率の向上が図れる。また、コグニティブ無線の利用方法として、地震や津波など大規模な災害が発生したときの通信インフラの障害による被災地の通信手段の途絶に対する迅速な通信手段の確保/確立のため、可搬型のコグニティブ無線基地局を用いた通信ネットワークの構築がある。コグニティブ無線を用いることにより、基地局の設置場所を事前に検討する必要なく、被災地の任意の場所に可搬型コグニティブ無線基地局を配置すれば、可搬型コグニティブ無線基地局が自律的に周辺の無線環境を認識し、最適な無線メディアにて通信を確立するため、このような利用シーンでは他の無線システムと比較してコグニティブ無線が適している。

また、本発明に関連する従来技術として、複数の方式で通信可能な移動端末が接続先の無線基地局を選択する方法が特許文献１に記載されている。この特許文献１では、具体的な方式としてフルレート方式とハーフレート方式が挙げられており、移動端末がこれらを切り替えながら無線基地局と通信を行うという前提において、制御情報の受信状態および方式毎のチャネル使用率に基づいて移動端末が接続先の無線基地局を選択する。
特開平８−１６８０７０号公報

コグニティブ無線ではひとつのコグニティブ無線基地局およびコグニティブ無線端末が複数の無線メディアを実装している。コグニティブ無線端末がコグニティブ無線基地局に接続する際には、個々の無線メディアに実装される接続基地局の決定方法を用いることができる。しかしながら、個々の無線メディアが独立に接続先のコグニティブ無線基地局の決定を行うと、無線メディア毎に接続先のコグニティブ無線基地局が異なることが考えられる。

図５はこの様子を表したものである。ひとつのコグニティブ無線端末１とふたつのコグニティブ無線基地局２（コグニティブ無線基地局２ａ，２ｂ）があり、各々が複数の無線メディアを実装している。具体的な無線メディアの例として、IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11j、IEEE802.16a、CDMA2000 1x EV-DO等に準拠したものが挙げられる。図５に示す例では、コグニティブ無線端末１におけるIEEE802.11aの無線メディアがコグニティブ無線基地局２ａにおけるIEEE802.11aの無線メディアと通信を行い、コグニティブ無線端末１におけるIEEE802.1jの無線メディアがコグニティブ無線基地局２ｂにおけるIEEE802.11jの無線メディアと通信を行っている。

上記のように無線メディア毎に接続先のコグニティブ無線基地局が異なる場合、経路制御等が煩雑になるという不具合があることから、コグニティブ無線端末はひとつのコグニティブ無線基地局とのみ接続される形態が好ましい。また、特許文献１に記載された技術は、無線基地局と移動端末が複数の無線方式の中のひとつを用いて通信を行うものであり、無線基地局と移動端末間を同時に複数の無線方式（周波数の違いを含む）を用いて接続するコグニティブ無線に直接適用することはできない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、複数の無線モジュールを同一の基地局に接続させ、無線システムの処理負荷を軽減することができる無線通信装置および無線通信方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、基地局と無線通信を行う複数の無線モジュールを備えた無線通信装置において、前記複数の無線モジュールが接続可能な基地局を示す基地局情報を前記無線モジュール毎に収集する情報収集手段と、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する基地局を選択する基地局選択手段と、前記基地局選択手段が選択した基地局に対して前記複数の無線モジュールを接続させる接続制御手段とを備えたことを特徴とする無線通信装置である。

また、本発明の無線通信装置において、前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報に基づいて、最も多くの前記無線モジュールが接続可能な基地局を選択することを特徴とする。

また、本発明の無線通信装置において、前記接続制御手段はさらに、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報が示す前記無線モジュール毎の基地局に対してそれぞれの前記無線モジュールを接続させ、前記基地局の処理負荷を示す負荷情報をそれぞれの前記無線モジュールに受信させ、前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報と、前記無線モジュールが受信した前記負荷情報とに基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する基地局を選択することを特徴とする。

また、本発明の無線通信装置において、前記情報収集手段はさらに、前記基地局情報が示す基地局との接続に用いる無線チャネルの環境を示す無線環境情報を前記無線モジュール毎に収集し、前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報および前記無線環境情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する基地局を選択することを特徴とする。

また、本発明は、基地局と無線通信を行う複数の無線モジュールを備えた無線通信装置が実行する無線通信方法において、前記複数の無線モジュールが接続可能な基地局を示す基地局情報を前記無線モジュール毎に収集する第１のステップと、前記第１のステップで収集した前記基地局情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する基地局を選択する第２のステップと、前記第２のステップで選択した基地局に対して前記複数の無線モジュールを接続させる第３のステップとを実行することを特徴とする無線通信方法である。

本発明によれば、複数の無線モジュールが接続可能な基地局のうちのいずれかに対して複数の無線モジュールを接続させるので、無線システムの処理負荷を軽減することができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態によるコグニティブ無線端末１（本発明の無線通信装置に対応）の構成を示している。図１に示すように、コグニティブ無線端末１は、複数（Ｎ個）の無線モジュール１１と、パケットスイッチ部１２と、ネットワーク制御部１３と、無線環境認識部１４と、無線自律制御部１５とを有する。

各無線モジュール１１は、それぞれ特定の無線メディアに対応している。無線モジュール１１は、自己の無線メディアに対応した物理層（ＰＨＹ層）およびデータリンク層の機能を有する。無線モジュール１１は、パケットスイッチ部１２に接続されており、パケットスイッチ部１２との間でパケットを送受する。無線モジュール１１は、無線通信相手の同じ無線メディアの無線モジュールと無線接続する。

また、無線モジュール１１は、無線チャネル毎に、無線環境に関する情報（無線環境情報）を測定する機能を有する。無線環境情報としては、例えば、受信電力、干渉電力、パケットの再送回数、CRC（Cyclic Redundancy Check）エラーパケット数、無線チャネル占有時間などが挙げられる。通信用の無線モジュール１１とは別に、無線環境情報測定用に専用の無線モジュールを設けてもよい。

パケットスイッチ部１２は、パケットのスイッチング機能を有し、ネットワーク制御部１３との間でパケットを送受する。また、パケットスイッチ部１２は、ネットワーク制御部１３から受け取ったパケットを、無線自律制御部１５から指示された無線モジュール１１に出力する。また、パケットスイッチ部１２は、無線モジュール１１から受け取ったパケットの順序制御を行い、順序制御後のパケットをネットワーク制御部１３に渡す。ネットワーク制御部１３は、ネットワーク層の機能を有し、パケットのルーティングを行う。無線環境認識部１４は、各無線モジュール１１から無線環境情報を受け取り、無線環境情報に基づいて、周辺の無線環境を認識する。

無線自律制御部１５は、無線環境認識部１４から無線環境認識結果を受け取る。また、無線自律制御部１５は、無線環境認識結果に基づいて、パケットの宛先の無線通信相手との間で接続が確立されている無線モジュール１１の中から、どの無線モジュール１１を利用するのかを決定し、パケットスイッチ部１２に指示する。あるいは、無線自律制御部１５は、無線環境認識結果に基づいて、無線通信相手との間で接続が確立されている無線モジュール１１の中から、どの無線モジュール１１のどの無線チャネルを利用するのかを決定してもよい。無線自律制御部１５は、利用する無線チャネルまで指定する場合には、無線モジュール１１に対して、利用する無線チャネルを指示する。さらに、無線自律制御部１５は、接続先のコグニティブ無線基地局を決定する機能も有する。

次に、コグニティブ無線端末が接続先のコグニティブ無線基地局を決定する方法を説明する。以下では、図２〜図４を参照しながら、３通りの方法を説明する。各図において、ひとつのコグニティブ無線端末１とふたつのコグニティブ無線基地局２（コグニティブ無線基地局２ａ，２ｂ）があり、各々が複数の無線メディアを実装している。具体的な無線メディアの例として、IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11j、IEEE802.16a、CDMA2000 1x EV-DO等に準拠したものが挙げられる。なお、接続先のコグニティブ無線基地局２の決定は、コグニティブ無線端末１が主導で行う。

（第１の決定方法）
まず、図２を参照しながら、第１の決定方法を説明する。まず、各無線モジュール１１は、それぞれ独立して、接続可能なコグニティブ無線基地局２のサーチを行う（ステップＳ１００）。このコグニティブ無線基地局２のサーチは、例えばIEEE802.11の場合、一定期間、コグニティブ無線基地局２に実装されたIEEE802.11の無線モジュールから送信されるビーコン情報を収集すること等により行うことが可能である。

各無線モジュール１１は、コグニティブ無線基地局２をサーチして得られた接続先候補となるコグニティブ無線基地局２のID（基地局情報）を無線自律制御部１５へ出力する（ステップＳ１１０）。無線モジュール１１毎に、カバーできるエリアの広さや、使用する周波数帯が異なることから、接続可能なコグニティブ無線基地局２が無線モジュール１１毎に異なる場合がある。

無線自律制御部１５は、各無線モジュール１１から収集した基地局情報に基づいて、各無線モジュール１１が接続先候補としたコグニティブ無線基地局２を認識する。そして、無線自律制御部１５は、接続先候補のコグニティブ無線基地局２の中から、最も多くの無線モジュール１１によって接続先候補としてサーチされたコグニティブ無線基地局２を選択し、接続先コグニティブ無線基地局とする（ステップＳ１２０）。

無線自律制御部１５は接続先コグニティブ無線基地局への接続を各無線モジュール１１に指示する（ステップＳ１３０）。

接続先コグニティブ無線基地局への接続を指示された各無線モジュール１１は、接続先コグニティブ無線基地局に実装された、それぞれ対応する無線モジュールへの接続を行う（ステップＳ１４０）。ここで、無線自律制御部１５から指示された接続先コグニティブ無線基地局をステップＳ１００でサーチすることができなかった無線モジュール１１は休止状態となる。

図２は、コグニティブ無線基地局２ａをサーチできた無線モジュール１１の数が、コグニティブ無線基地局２ｂをサーチできた無線モジュール１１の数よりも多く、コグニティブ無線基地局２ａが接続先コグニティブ無線基地局に決定される様子を示している。この場合、各無線モジュール１１は、無線自律制御部１５からの指示により、コグニティブ無線基地局２ａに接続する。

第１の決定方法では、既存の方法でコグニティブ無線基地局２から取得可能な情報を除いて、コグニティブ無線端末１がコグニティブ無線基地局２から情報を取得することなく、接続先コグニティブ無線基地局を決定することができる。

（第２の決定方法）
次に、図３を参照しながら、第２の決定方法を説明する。まず、各無線モジュール１１は、それぞれ独立して、接続可能なコグニティブ無線基地局２のサーチを行う。各無線モジュール１１は、コグニティブ無線基地局２をサーチして得られた接続先候補となるコグニティブ無線基地局２のID（基地局情報）を無線自律制御部１５へ出力する。無線自律制御部１５は、各無線モジュール１１から収集した基地局情報に基づいて、各無線モジュール１１が接続先候補としたコグニティブ無線基地局２を認識する。そして、無線自律制御部１５は、無線モジュール１１毎に最適と判断されたコグニティブ無線基地局２に接続するように各無線モジュール１１を制御する（ステップＳ２００）。コグニティブ無線基地局２のサーチや接続の手順には、無線モジュールに実装された無線方式（IEEE802.11等）に予め実装されているサーチや接続の手順を用いることが可能である。

各無線モジュール１１が、それぞれ独立して、最適と判断されたコグニティブ無線基地局２に接続した後、各無線モジュール１１は、接続したコグニティブ無線基地局２から負荷情報を受信する（ステップＳ２１０）。この負荷情報は、コグニティブ無線基地局２の処理負荷を示す情報（例えば、コグニティブ無線基地局２に接続しているコグニティブ無線端末１の数）である。また、負荷情報は、0〜1の間をとる値としてコグニティブ無線基地局単位で与えられるものとする。本実施形態では、負荷情報が1である場合に、処理負荷が最も高いものとする。

各無線モジュール１１は、接続したコグニティブ無線基地局２を接続先候補コグニティブ無線基地局として、接続先候補コグニティブ無線基地局を特定するIDと接続先候補コグニティブ無線基地局の負荷情報を無線自律制御部１５へ出力する（ステップＳ２２０）。

無線自律制御部１５は、各無線モジュール１１から出力された接続先候補のコグニティブ無線基地局のIDとその負荷情報とに基づいて、最も好適なコグニティブ無線基地局２を選択し、接続先コグニティブ無線基地局とする（ステップＳ２３０）。ここで、好適なコグニティブ無線基地局２の選択方法としては、例えば、以下のような方法がある。

i) コグニティブ無線端末１が実装しているモジュールの数をmとする。また、ある接続先候補コグニティブ無線基地局に対して、当該接続先候補コグニティブ無線基地局に接続している無線モジュールの数をm’ （1≦m’≦m）とする。M=m’/m（0<M≦1）を計算する。

ii)当該接続先候補コグニティブ無線基地局の負荷情報をn（0≦n≦1）とする。当該接続先候補コグニティブ無線基地局の処理の許容度をNとし、N=1-nを計算する。

iii)X=M×Nを計算する。

iv)各接続先候補コグニティブ無線基地局に対してXを計算し、最もXの値が大きい接続先候補コグニティブ無線基地局を接続先コグニティブ無線基地局に決定する。この方法によれば、より多くの無線モジュール１１が接続可能であって、処理負荷がより低いコグニティブ無線基地局２が接続先コグニティブ無線基地局に決定される。

上記において、さらに無線モジュール１１の能力（カバーできるエリアの広さ等）も考慮して、能力の高い無線モジュール１１が接続先候補に挙げているコグニティブ無線基地局２を優先的に接続先コグニティブ無線基地局に選択するようにしてもよい。

ステップＳ２３０に続いて、無線自律制御部１５は接続先コグニティブ無線基地局への接続を各無線モジュール１１に指示する（ステップＳ２４０）。

接続先コグニティブ無線基地局への接続を指示された各無線モジュール１１のうち、接続先コグニティブ無線基地局とは異なるコグニティブ無線基地局２に接続していた無線モジュール１１は、接続先コグニティブ無線基地局に対して再接続を行う（ステップＳ２５０）。再接続処理において、無線モジュール１１に実装された無線通信方式に規定されているハンドオーバ手法やローミング手法を用いてもよい。無線自律制御部１５から指示された接続先コグニティブ無線基地局をステップＳ２００でサーチすることができなかった無線モジュール１１は休止状態となる。

図３は、コグニティブ無線基地局２ａが接続先コグニティブ無線基地局に決定される様子を示している。ステップＳ２００でのサーチの結果、IEEE802.11aの無線モジュール１１はコグニティブ無線基地局２ａに接続し、IEEE802.11jの無線モジュール１１はコグニティブ無線基地局２ｂに接続している。ステップＳ２５０では、IEEE802.11jの無線モジュール１１は、無線自律制御部１５からの指示により、コグニティブ無線基地局２ｂからコグニティブ無線基地局２ａに接続を切り替える。

（第３の決定方法）
次に、図４を参照しながら、第３の決定方法を説明する。まず、各無線モジュール１１は、それぞれ独立して、接続可能なコグニティブ無線基地局２のサーチを行う（ステップＳ３００）。

各無線モジュール１１は、コグニティブ無線基地局２をサーチして得られた接続先候補となるコグニティブ無線基地局２のID（基地局情報）を無線自律制御部１５へ出力する（ステップＳ３１０）。

また、無線モジュール１１は、無線環境情報を無線環境認識部１４へ出力する。無線環境認識部１４は、無線環境情報を、0〜1の間をとる値に正規化し、無線自律制御部１５へ出力する（ステップＳ３２０）。本実施形態では、無線環境情報が1の場合に、無線環境が最も好適であるものとする。

無線自律制御部１５は、各無線モジュール１１から出力された接続先候補のコグニティブ無線基地局のIDと無線環境情報とに基づいて、最も好適なコグニティブ無線基地局２を選択し、接続先コグニティブ無線基地局とする（ステップＳ３３０）。ここで、好適なコグニティブ無線基地局２の選択方法としては、例えば、以下のような方法がある。

i) 無線モジュール１１を接続先候補コグニティブ無線基地局毎にグループ化する。

ii)各グループについて、グループ内の各無線モジュール１１に対応した、正規化された無線環境情報の和を計算する。

iii)この和が最も大きいグループに対応した接続先候補コグニティブ無線基地局を接続先コグニティブ無線基地局に決定する。この方法によれば、無線環境のより良い無線チャネルを用いている無線モジュール１１がより多く接続可能なコグニティブ無線基地局２が接続先コグニティブ無線基地局に決定される。

ステップＳ３３０に続いて、無線自律制御部１５は接続先コグニティブ無線基地局への接続を各無線モジュール１１に指示する（ステップＳ３４０）。

接続先コグニティブ無線基地局への接続を指示された各無線モジュール１１は、接続先コグニティブ無線基地局に実装された、それぞれ対応する無線モジュールへの接続を行う（ステップＳ３５０）。ここで、無線自律制御部１５から指示された接続先コグニティブ無線基地局をステップＳ３００でサーチすることができなかった無線モジュール１１は休止状態となる。

図４は、コグニティブ無線基地局２ａが接続先コグニティブ無線基地局に決定される様子を示している。この場合、各無線モジュール１１は、無線自律制御部１５からの指示により、コグニティブ無線基地局２ａに接続する。

第３の決定方法では、第１の決定方法と同様に、既存の方法でコグニティブ無線基地局２から取得可能な情報を除いて、コグニティブ無線端末１がコグニティブ無線基地局２から情報を取得することなく、接続先コグニティブ無線基地局を決定することができる。

上述したように、本実施形態によれば、複数の無線モジュールが接続可能なコグニティブ無線基地局２のうちのいずれかひとつに対して複数の無線モジュール１１を接続させるので、経路制御等が簡易になり、無線システムの処理負荷を軽減することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態によるコグニティブ無線端末の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における接続先コグニティブ無線基地局の決定方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態における接続先コグニティブ無線基地局の決定方法を説明するための説明図である。 本発明の一実施形態における接続先コグニティブ無線基地局の決定方法を説明するための説明図である。 従来のコグニティブ無線端末がコグニティブ無線基地局に接続する様子を示す参考図である。

符号の説明

１・・・コグニティブ無線端末、２，２ａ，２ｂ・・・コグニティブ無線基地局、１１・・・無線モジュール、１２・・・パケットスイッチ部、１３・・・ネットワーク制御部、１４・・・無線環境認識部、１５・・・無線自律制御部（情報収集手段、基地局選択手段、接続制御手段）

Claims (5)

1. 基地局と無線通信を行う複数の無線モジュールを備えた無線通信装置において、
   前記複数の無線モジュールが接続可能な基地局を示す基地局情報を前記無線モジュール毎に収集する情報収集手段と、
   前記情報収集手段が収集した前記基地局情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する同一の基地局を選択する基地局選択手段と、
   前記基地局選択手段が選択した同一の基地局に対して前記複数の無線モジュールを接続させる接続制御手段と、
   を備えたことを特徴とする無線通信装置。
2. 前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報に基づいて、最も多くの前記無線モジュールが接続可能な同一の基地局を選択することを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 前記接続制御手段はさらに、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報が示す前記無線モジュール毎の基地局に対してそれぞれの前記無線モジュールを接続させ、前記基地局の処理負荷を示す負荷情報をそれぞれの前記無線モジュールに受信させ、
   前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報と、前記無線モジュールが受信した前記負荷情報とに基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する同一の基地局を選択する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
4. 前記情報収集手段はさらに、前記基地局情報が示す基地局との接続に用いる無線チャネルの環境を示す無線環境情報を前記無線モジュール毎に収集し、
   前記基地局選択手段は、前記情報収集手段が収集した前記基地局情報および前記無線環境情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する同一の基地局を選択する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
5. 基地局と無線通信を行う複数の無線モジュールを備えた無線通信装置が実行する無線通信方法において、
   前記複数の無線モジュールが接続可能な基地局を示す基地局情報を前記無線モジュール毎に収集する第１のステップと、
   前記第１のステップで収集した前記基地局情報に基づいて、前記複数の無線モジュールが接続する同一の基地局を選択する第２のステップと、
   前記第２のステップで選択した同一の基地局に対して前記複数の無線モジュールを接続させる第３のステップと、
   を実行することを特徴とする無線通信方法。

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