JP5279906B2 - コグニティブ無線中継システムにおける共有スペクトル使用のための検出及び通信プロトコル - Google Patents

Description

本発明は、同じスペクトル内で少なくとも部分的に動作する少なくとも２つの伝送システムの信号を送信及び受信するための装置、システム、方法及びコンピュータプログラムに関する。とりわけかかる伝送システムは例えば柔軟なスペクトル使用モデルを伴うコグニティブ中継システムである。

新たな無線技術及びアプリケーションの急増は、限られた使用可能な無線スペクトルの賢明な使用を要求する。これは、現在の固定されたスペクトル割当政策から柔軟なスペクトル使用モデルへの規制変更を助長した。米国では、ラジオ、テレビ、電信、衛星及びケーブルによる州間及び国際通信の規制を担当する連邦通信委員会（ＦＣＣ）が、例えばＶＨＦ‐ＵＨＦスペクトルにおける低電力携帯機器の使用を許可する政策の採用に向けて動き始めている。規制措置はまた、医療機器及び身体センサネットワークに使用可能なさらなる二次スペクトルを許可する方向にも向かっている。一次システムに割り当てられた認可バンドが二次使用のために開かれるような、革新的スペクトル共有モデルを採用することは、英国及び他のＥＵ諸国でも関心が高まっている。

二次スペクトルベースの動作に対する要件の１つは、二次システム伝送が一次システムに何ら有害な干渉を生じないことである。この要件は通常、アクティブである一次システムが見つかっていないスペクトル領域でのスペクトル検出及び動作によって満たされる。スペクトル検出は一次システムからの伝送の存在の検出を含み得る。

無線システムにおける協調及び中継の利点は広く認識されており、次の標準規格の一部でもある（例えばＩＥＥＥ ８０２．１５ ＷＰＡＮ Ｔａｓｋ Ｇｒｏｕｐ ｏｎ Ｂｏｄｙ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）。これらの技術はより良いシステム性能につながることが知られており、例えばレンジ拡張、誤り率の改善などのために使用される。従って協調中継に基づくコグニティブ無線システムは、そうした将来の無線規格において当然の関心事となるだろう。

２つの起点‐宛先リンク、すなわち一次リンクと二次リンクが、同じスペクトル資源を共有するコグニティブネットワークは、Ｎ．Ｄｅｖｒｏｙｅ，Ｐ．Ｍｉｔｒａｎ ａｎｄ Ｖ．Ｔａｒｏｋｈ，"Ａｃｈｉｅｖａｂｌｅ ｒａｔｅｓ ｉｎ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．５２，ｎｏ．５，ｐｐ．１８１３‐１８２７，Ｍａｙ ２００６，及びＡ．Ｊｏｖｉｃｉｃ ａｎｄ Ｐ．Ｖｉｓｗａｎａｔｈ，"Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ：ａｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ‐ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ"に提示された情報理論的研究において最近研究されている。これらの参考文献において、コグニティブ送信機は一次送信機によって送信される信号について完全な事前情報を持つと仮定される（Ｐ．Ｍｉｔｒａｎ，Ｎ．Ｄｅｖｒｏｙｅ ａｎｄ Ｖ．Ｔａｒｏｋｈ，"Ｏｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆｏｒｍ．Ｔｈｅｏｒｙ，ｖｏｌ．５２，ｎｏ．４，ｐｐ．１７４５‐１７５５，Ａｐｒｉｌ ２００６も参照。この全内容は引用により本明細書に組み込まれる）。しかしながら、コグニティブ送信機（又はノード）における無線環境について（例えば一次アクティビティについて）の不完全な情報は、認識原理の実施に対する主要な障害となると予想される（Ａ．Ｓａｈａｉ，Ｎ．Ｈｏｖｅｎ ａｎｄ Ｒ．Ｔａｎｄｒａ，"Ｓｏｍｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｌｉｍｉｔｓ ｏｎ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｉｏ，"ｉｎ Ｐｒｏｃ．Ａｌｌｅｒｔｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００４により詳細に記載される。）。さらに、一次装置におけるトラフィックダイナミクスは、コグニティブ無線の性能を規定する上で極めて重要であるが、ランダムパケット到着は純粋に情報理論的な解析に容易に組み込まれることができない。

図１はコグニティブ無線中継システムトポロジーのアーキテクチャ図を示し、コグニティブシステム送信機（ＣＴｘ）１０がコグニティブシステム中継（ＣＲ）３０の助けによりコグニティブシステム受信機（ＣＲｘ）２０へデータを送信する。このコグニティブシステムは、一次システム送信機４０を含む特定の一次システムに認可されているスペクトルの特定部分において二次共有ベースで動作する。

図２は、図１にかかるシステムにおいて採用され得るナイーブ検出及び通信プロトコルのタイミングスケジュール図を示す。

検出はＣＴｘ１０によってステップ１００，２００などにおいて周期的に実行される。一次システム伝送が存在しない場合、伝送は各連続伝送期間ＴＰ１，ＴＰ２などの２フェーズにおいてなされる。第一フェーズ（ステップ１１０，２１０，…）において、ＣＴｘ１０はＣＲｘ２０へデータを送信し、これはＣＲ３０でも受信される。ＣＲ３０は受信データに対していくつかの信号処理を実行し（例えば増幅、復号など）、第二フェーズ（ステップ１２０，２２０，…）においてそれをＣＲｘ２０へ転送又は送信する。

しかしながら、一次信号伝送の存在／再発を監視するために周期的検出が必要とされる。図２からわかる通り、このステップ１００，２００，…における周期的検出はオーバーヘッドであり、情報スループットを著しく減少させる。これはまた待ち時間要件にも関係があり、遅延に敏感なアプリケーションにおいては極めて重要な問題となり得る。

それによって情報スループットが増加されることができるような、より効率的な干渉管理法を提供することが本発明の目的である。

この目的は、請求項１に記載の装置によって、請求項６に記載の方法によって、請求項１０に記載のシステムによって、及び請求項１１に記載のコンピュータプログラムによって実現される。

従って、送信機側での検出は第二伝送フェーズ中に実行されることができ、それ故検出のための専用スロットの必要性を克服する。従って専用検出スロットは、初期伝送セットアップ中にのみ必要とされ、周期的検出スロットによる追加オーバーヘッドを削減する。

提案される装置は、ネットワークノード又は局に設けられるプロセッサデバイス、モジュール、チップ、チップセット、又は回路として実装され得る。プロセッサは、コンピュータ又はプロセッサデバイス上で実行されるときに、請求された方法のステップを実行するためのコードを有するコンピュータプログラムによって制御され得る。

第一の態様によれば、第一及び第二の伝送システムは、各々柔軟なスペクトル使用を伴う一次及び二次システムであり得る。

第一の態様と組み合され得る第二の態様によれば、第二伝送システムはコグニティブ中継システムであり得る。

上記第一及び第二の態様のいずれか１つと組み合され得る第三の態様によれば、送信機と干渉プロセッサは周期的な方法で伝送及び検出を実行するように構成され得る。

上記第一から第三の態様のいずれか１つと組み合され得る第四の態様によれば、該装置は医療機器であり得、中継バージョンは医療ハブから受信され得る。

さらなる有利な展開例は従属請求項において規定される。

本発明は添付の図面を参照して様々な実施形態に基づいて説明され得る。

コグニティブ中継システムのネットワークトポロジー図を示す。 従来の検出及び通信手順を示す。 一実施形態にかかる検出及び通信手順を示す。 該実施形態にかかる検出及び通信手順のタイミング図を示す。 一実施形態にかかる送信機側の検出及び通信処理の略フロー図を示す。 一実施形態にかかる中継側の検出及び通信処理の略フロー図を示す。

以下では、図１に示されるコグニティブ中継システム例に基づいて本発明の実施形態が説明される。

該実施形態は、例えば図１に示されるコグニティブ無線中継システムトポロジーにおいて実施されることができ、ここでコグニティブシステム送信機（ＣＴｘ）１０はコグニティブシステム中継（ＣＲ）３０の助けによりコグニティブシステム受信機（ＣＲｘ）２０へデータを送信し、中継システムは特定の一次システムに認可されているスペクトルの特定部分の二次共有ベースで動作する。こうしたコグニティブ中継システムの一例は、ＣＴｘ１０が医療機器であり得、ＣＲ３０が医療ハブであり、ＣＲｘ２０が別の医療ハブ又は中央医療プロセッサであり得るものである。

様々な実施形態において、コグニティブ中継システム又は他のスペクトル共有システムのための検出及び通信プロトコルが提供され、ここで伝送は２フェーズで実行され、ＣＴｘ１０は第一フェーズでデータを送信し、これはＣＲｘ２０及びＣＲ３０において受信される。中間処理がＣＲ３０において実行され、ここでデータが処理され、そして第二フェーズで送信される。そして第二フェーズにおいて、ＣＴｘ１０は、ＣＲ３０からの伝送によって生じる干渉を打ち消した後、検出を実行する。

図３は一実施形態にかかる提案されたプロトコルの検出及び通信手順を示す。初期検出は第一ステップ１００においてリンクセットアップ中にＣＴｘ１０において実行される。例えばＣＴｘ１０において設けられる干渉プロセッサ又は中央多目的プロセッサによって、一次システム伝送が検出されない場合、２フェーズ伝送がセットアップされる。第一フェーズ（図３のステップ１１０，２１０，…）において、ＣＴｘ１０はＣＲｘ２０へデータを送信し、これはＣＲ３０でも受信される。そして、ＣＲ３０は受信データに対していくつかの信号処理を実行する（例えば増幅又は復号など）。処理されたデータは送信され、従って第二フェーズ（ステップ１２２，２２２，…）においてＣＲｘ２０へ転送される。このデータはＣＴｘ１０でも受信され、これは一次システム伝送が現れていないかどうかを決定するために第二フェーズ中に検出を実行することができる。ＣＴｘ１０における受信信号は、一次信号（存在する場合）、ＣＲ３０から送信された信号及びノイズの組み合わせである。ＣＴｘ１０はＣＲ３０から送信された信号が先験的にわかるので、一次信号の検出実行の前又は間にこの信号成分を打ち消すか又は少なくとも抑制することができる。

従って、専用検出スロットは初期伝送セットアップ（ステップ１００）中にのみ必要とされるので、周期的検出スロットによる追加オーバーヘッドが削減される。

以下では、ＣＲ３０における増幅ベース処理を伴うプロトコルの具体的実施が説明される。

伝送リンクＣＴｘ→ＣＲｘ，ＣＴｘ→ＣＲ，ＣＲ→ＣＲｘ，及びＣＲ→ＣＴｘのチャネル係数は、各々ｈ_１，ｈ_２，ｈ_３，及びｈ_４とあらわされる。これらの係数は無線フェージング係数をあらわし、通常はレイリーフェージングとしてモデル化されることができる。加えて、ＣＴｘ１０，ＣＲｘ２０，及びＣＲ３０における各々の付加ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）は、分散σ^２で各々ｎ_１，ｎ_２，及びｎ_３とあらわされる。さらにＣＴｘ１０及びＣＲ３０における送信電力は同じでありＰに等しいことが仮定される。これらの仮定は、説明を簡略化する目的でなされるが、実施形態の範囲を制限する意図ではない。ｉ番目の伝送フェーズにおいてＣＴｘ１０，ＣＲｘ２０，及びＣＲ３０で受信される一次システムの信号成分は（もし一次システムが送信している場合）、各々Ｘ_ｓｉ，Ｘ_ｄｉ，及びＸ_ｒｉとあらわされ、ｉ∈｛１，２｝である。

図４は該実施形態にかかる検出及び通信手順のタイミング図を示し、上の時間依存図はＣＴｘ１０の動作に関連し、下の時間図はＣＲ３０の動作に関連する。ＣＴｘ１０はまず、初期リンクセットアップのためだけに必要な初期検出を実行する。一次システムの信号が検出されない場合、２フェーズコグニティブ伝送がセットアップされる。第一伝送フェーズＰ１において、二次信号ｘ_ｃがＣＴｘ１０によって送信される。ＣＲｘ２０で受信される信号は

と与えられ、第一伝送フェーズ中にＣＲ３０で受信される信号は

と与えられる。

ここでは、一次システム伝送は迅速に変化しないと仮定される、すなわち、Ｘ_ｄ１＝０及びＸ_ｒ１＝０であるように、第一伝送フェーズ中に送信している一次送信機（例えば図１の一次送信機４０）はない。この仮定はやはり実施形態の範囲に影響を及ぼす意図ではない。一次システムがアクティブである場合、これらは、第一伝送フェーズＰ１の長さに対応するわずかな時間間隔にわたってある量の干渉を経験し得る。第一伝送フェーズＰ１における受信後、二次信号成分ｘ_ｃを含む信号成分が検出されない場合、ＣＲ３０はＣＴｘ１０からの新たな伝送を受信するまで単に沈黙したままでいる。二次信号成分は、パイロット及び／又はプリアンブルなどの既知の信号又はデータ部分に基づいて検出され得る。そうでなければ、ＣＲ３０は受信信号を正規化し、そしてそれをＣＲｘ２０へ転送する。そして第二伝送フェーズＰ２においてＣＲｘ２０で受信される信号は

と与えられ、ここで

及びγ_２＝｜ｈ_２｜^２である。第二伝送フェーズＰ２における受信後、ＣＲｘ２０はｘ_ｃを復号するためにｙ_ｄ１とｙ_ｄ２を組み合わせることができる。

第二伝送フェーズＰ２においてＣＴｘ１０で受信される信号は、

と与えられる。

ＣＴｘ１０は各チャネル状態情報（例えばコグニティブシステムの既知の信号成分（例えばパイロット／プリアンブル）及び／又はＣＲ３０からのフィードバックを用いてトレーニングベースチャネル推定によって得られる）の完全な（又は完全に近い）知識を持つため、

を得るために自己干渉成分

は打ち消されることができる。

そして、ＣＴｘ１０はｙ_ｓ'を用いてＸ_ｓ２の検出を実行する。Ｘ_ｓ２が検出されない場合、次の２フェーズ伝送が継続する。そうでなければ、ＣＴｘ１０は沈黙したままであり得、チャネルに一次システムの信号がないことが決定されるまで周期的にチャネルをスキャンし得、そして新たなコグニティブ伝送がセットアップされることができる。

図５はＣＴｘ１０のための干渉制御機構又は手順の略フロー図を示す。

ステップＳ３１０において初期検出がＣＴｘ１０において一度実行される。そして、ステップＳ３２０において、検出動作が、一次信号が検出されたか又は存在することを示すかどうかがチェックされる。一次信号が存在する場合、手順はステップＳ３２５へ分岐し、カウンタ若しくはタイマを開始すること又は各動作によって決定され得る所与の遅延期間待機する。そうでなければ、一次信号が存在することが決定された場合、手順はステップＳ３３０へ進み、伝送期間の第一伝送フェーズが開始され、ＣＴｘ１０が二次信号ｘ_ｃを送信する。その後、伝送期間の第二伝送フェーズがステップＳ３４０において開始され、ＣＴｘ１０はステップＳ３３０における伝送の既知の信号パラメータに基づいて自己干渉除去を実行し、加えて一次信号検出を実行する。そして、ステップＳ３５０において一次信号化受信されたか又は存在するかどうかがチェックされる。一次信号が存在する場合、新たな伝送期間の新たな第一フェーズを開始するために、手順は分岐してステップＳ３３０に戻る。そうでなければ、一次信号が存在することが決定された場合、手順はステップＳ３６０へ進み、ＣＴｘ１０は二次伝送を停止し、カウンタ若しくはタイマを開始すること又は各動作によって決定され得る所与の遅延期間待機する。

図６は、図５のステップＳ３３０の終りへ時間的にリンクされるＣＲ３０のための中継機構又は手順の略フロー図を示す。すなわち、第一伝送フェーズが終了したとき、ＣＲ３０はステップＳ４１０において受信動作を開始する。次のステップＳ４２０において、ステップＳ４２０において二次信号成分ｘ_ｃが受信されたか又は存在するかどうかがチェックされる。二次信号が存在しないと決定される場合、手順はステップＳ４２５へ分岐し、カウンタ若しくはタイマを開始すること又は各動作によって決定され得る所与の遅延期間待機する。そうでなければ、ステップＳ４２０において二次信号が存在すると決定された場合、手順はステップＳ４３０へ進み、伝送期間の第二伝送フェーズが開始され、ＣＲ３０は受信された二次信号を増幅し、転送又は送信する。

ＣＴｘ１０及びＣＲ３０の上記実施形態は、各無線ノード（例えばメッシュポイント、メッシュアクセスポイント、メッシュポータル、又は任意の他の種類の無線ノード）又は他の無線タイプネットワークノードにおいて提供されることができる。該実施形態は、図５及び図６の機能がソフトウェアプログラム又はルーチンとして提供され得る、ディスクリートハードウェア回路又は電気回路、チップ、チップセット、モジュール又はソフトウェア制御プロセッサ又はコンピュータデバイスに基づいて実施されることができる。

要約すると、共有スペクトル使用を伴う伝送システムにおける検出及び通信のための方法、装置、及びコンピュータプログラムが記載され、該システムは例えばコグニティブ中継システムを有し得る。送信機と受信機間の通信は、中継の助けを介して２つの伝送フェーズにおいて起こる。検出は第二伝送フェーズ中に送信機において実行され、従って検出のための専用スロットの必要性を克服する。

本発明は上記実施形態に限定されず、少なくとも２つの伝送システムによる共有スペクトル使用を可能にする任意のネットワーク環境のために使用されることができることが留意される。該システム及び関連プロトコルは、認可スペクトルにおける二次スペクトル共有ベースで動作するコグニティブ中継システムに対して説明されているが、同じことがいかなる種類の干渉管理の目的のためにも拡張されることができる。本発明は第一伝送システムによって置き換えられるコグニティブ中継システム及び第二伝送システムによって置き換えられる一次システムに当てはまり、第一伝送システムは第二伝送システムからの干渉を防止しようとし、同じスペクトルで動作する。このような状況は例えば非認可バンドにおいて生じ、ここでは干渉管理が極めて重要な問題である。提案された発明は例えば認可スペクトルにおいて二次ベースで動作する無線システムの装置に当てはまる（例えば携帯機器、医療機器、身体センサなど）。

さらに、本発明は例えば地域無線ネットワークに対する次のＩＥＥＥ８０２．２２標準規格に基づく拡張に適用され得る。将来の標準化はＵＨＦ（超高周波数）バンド及び／又はテレビのホワイトスペースにおける接続アプリケーション（例えば携帯機器）をターゲットにすることが予想され、ここでは提案された方法が大きな関心事となるだろう。提案された干渉管理は、将来の標準化に制約され得る広範なクラスのコグニティブ無線システムにより一般的に適用されることができる。１つの可能性は、ＩＥＥＥ８０２．１５ ＷＰＡＮ Ｔａｓｋ Ｇｒｏｕｐ ｏｎ Ｂｏｄｙ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋｓに記載される医療機器及び身体センサネットワークであり、これは二次共有ベースの部分的に割り当てられたスペクトルに基づき得る。

開示された実施形態への変更は、図面、開示及び添付の請求項の考察から、当業者によって理解され実行されることができる。請求項において、"有する"という語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"ａ"又は"ａｎ"は複数の要素又はステップを除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に列挙された複数の項目の機能を満たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。図５及び図６のステップを実行するようにプロセッサを制御するために使用されるコンピュータプログラム、及び従って請求された特徴は、他のハードウェアと共に又はその一部として設けられる光記憶媒体又は固体媒体などの適切な媒体上に保存／配布されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するなど、他の形式で配布されてもよい。請求項における任意の参照符号はその範囲を制限するものと解釈されてはならない。

Claims (11)

1. 第一及び第二の伝送システムによって共有されるスペクトルにおいて信号を送信及び受信するための装置であって、
   ａ）前記装置の検出動作が、前記第一の伝送システムの信号が受信されていないことを示す場合、信号伝送期間の第一フェーズにおいて前記第二の伝送システムの信号を送信するための送信機と、
   ｂ）前記信号伝送期間の前記第一フェーズにおいて送信される前記信号の中継バージョンの受信によって生じる干渉を打ち消しながら、前記信号伝送期間の第二フェーズにおいて前記検出動作を実行するための干渉プロセッサとを有する装置。
2. 前記第一及び第二の伝送システムが、各々、柔軟なスペクトル使用を伴う一次及び二次システムである、請求項１に記載の装置。
3. 前記第二伝送システムがコグニティブ中継システムである、請求項２に記載の装置。
4. 前記送信機と前記干渉プロセッサが、周期的な方法で前記送信及び前記検出を実行する、請求項１に記載の装置。
5. 前記装置が医療機器であり、前記中継バージョンが医療ハブから受信される、請求項１に記載の装置。
6. 第一及び第二の伝送システムによって共有されるスペクトルにおいて信号を送信及び受信するための方法であって、
   ａ）検出動作が、前記第一の伝送システムの信号が受信されていないことを示す場合、信号伝送期間の第一フェーズにおいて前記第二の伝送システムの信号を送信するステップと、
   ｂ）前記信号伝送期間の前記第一フェーズにおいて送信される前記信号の中継バージョンの受信によって生じる干渉を打ち消しながら、前記信号伝送期間の第二フェーズにおいて前記検出動作を実行するステップとを有する方法。
7. 前記第一及び第二伝送システムが、各々、柔軟なスペクトル使用を伴う一次及び二次システムである、請求項６に記載の方法。
8. 前記第二伝送システムがコグニティブ中継システムである、請求項７に記載の方法。
9. 送信及び検出が周期的な方法で実行される、請求項６に記載の方法。
10. 第一及び第二の伝送システムによって共有されるスペクトルにおいて信号を送信及び受信するためのシステムであって、請求項１に記載の装置を持つ少なくとも１つのネットワークノードと、前記第一フェーズにおいて前記送信された信号を受信するため、及び前記第二フェーズにおいて前記信号の前記中継バージョンを送信するための、少なくとも１つの中継ノードとを有するシステム。
11. コンピュータデバイス上で実行されるときに請求項６に記載のステップを生じるためのコード手段を有する、コンピュータプログラム。

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