(57)【要約】  非コグニティブ無線機をコグニティブ無線機に変換するシステムと方法を提供する。コグニティブ無線システムは、非コグニティブ無線機と、電子デバイスと、スペクトル感知ロジックと、構成及び管理ロジックとを含む。電子デバイスが、ワイヤレスネットワークヘ／から、メッセージを送信／受信するように、電子デバイスは非コグニティブ無線機に接続される。構成及び管理ロジックは、非コグニティブ無線機とスペクトル感知ロジックとの間に接続される。スペクトル感知ロジックと、構成及び管理ロジックは、コグニティブ無線機が非コグニティブモードで動作することを可能にする非コグニティブ無線機から取り外し可能である。スペクトル感知ロジックは、ワイヤレス環境を感知して、利用可能な周波数と利用可能なチャネルとを決定する。構成及び管理ロジックは、利用可能な周波数、利用可能なチャネル、又は他のスペクトルデータを、遠隔スペクトルマネージャに送信する。遠隔スペクトルマネージャは、ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理する。【選択図】    図１
2013523013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非コグニティブ無線機と、
ワイヤレスネットワークからメッセージを受信することと、前記ワイヤレスネットワークにメッセージを送信することと、からなるグループのうちの少なくとも一方を、電子デバイスが実行できるように、前記非コグニティブ無線機に接続される、前記電子デバイスと、
利用可能な周波数と利用可能なチャネルとからなるグループのうちの少なくとも一方を決定するために、ワイヤレス環境を感知する、スペクトル感知ロジックと、
前記利用可能な周波数と利用可能なチャネルとのうちの少なくとも一方を、前記ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理している遠隔スペクトルマネージャに送信するために、前記非コグニティブ無線機と前記スペクトル感知ロジックとの間に接続される、構成及び管理ロジックと、
を具備し、
前記スペクトル感知ロジックと前記構成及び管理ロジックは、コグニティブ無線機が非コグニティブモードで動作することを可能にする前記非コグニティブ無線機から取り外し可能である、
コグニティブ無線システム。
【請求項２】
前記構成及び管理ロジックと、前記非コグニティブ無線機は、開放型システム間相互接続（ＩＳＯ）モデルのアプリケーションレベルにおいて、前記遠隔スペクトルマネージャに及び前記遠隔スペクトルマネージャから、メッセージを送るように構成されている、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項３】
前記構成及び管理ロジックと、前記遠隔スペクトルマネージャは、前記開放型システム間相互接続（ＩＳＯ）モデルのアプリケーションレベルにおけるインターネットプロトコル（ＩＰ）のアドレス指定を使用して論理的に接続されるように構成されている、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項４】
前記非コグニティブ無線機と前記電子デバイスとの間と、前記非コグニティブ無線機と前記構成及び管理ロジックとの間に接続されているスイッチ、
を更に具備する、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項５】
前記構成及び管理ロジックは、
前記コグニティブ無線システムをいつ自律モードにするかと、サーバとして働く前記遠隔スペクトルマネージャに対して、クライアントとして働く前記コグニティブ無線システムを使って、前記コグニティブ無線システムをいつクライアント／サーバモードにするかとを決定する、モードロジック、
を更に具備し、
前記自律モードにおいて、前記構成及び管理ロジックは、
指定周波数範囲を走査し、
スペクトル密度と、利用可能な周波数と、利用可能なチャネルと、からなるグループのうちの少なくとも１つに関する周期的な報告を、前記スペクトルマネージャに提供する、
ように構成されている、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項６】
前記ワイヤレスネットワークは、ワイヤレス地域エリアネットワーク（ＷＲＡＮ）である、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項７】
前記構成及び管理ロジックは、
前記構成及び管理ロジックによって生成され、前記スペクトル感知ロジックのために、利用可能なチャネルと、利用可能でないチャネルと、チャネルのスペクトル特性と、信号の分類結果と、パラメータの設定と、からなるグループのうちの少なくとも１つを表示する、ディスプレイ、
を更に具備する、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項８】
前記ディスプレイは、前記電子デバイスにおいて表示される、請求項７のコグニティブ無線システム。
【請求項９】
前記電子デバイスはラップトップである、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項１０】
信号を捕捉するアンテナと、
前記信号を前記スペクトル感知ロジックに入力する前に、前記信号の有効ノイズ指数(ＮＦ)を下げるために、前記アンテナと前記スペクトル感知ロジックとの間に接続される、低ノイズプリアンプ（ＬＮＡ）と、
を更に具備する、請求項１のコグニティブ無線システム。
【請求項１１】
非コグニティブ無線機をコグニティブ無線機に変換する方法であって、
前記方法は、
利用可能な周波数と利用可能なチャネルとからなるグループのうちの少なくとも一方を決定するためにワイヤレス環境を感知するスペクトルセンサを、構成及び管理ユニットとアンテナとの間に接続することと、
前記構成及び管理ユニットを非コグニティブ無線機に接続することと、
を含み、
前記構成及び管理ユニットは、前記利用可能な周波数と利用可能なチャネルとのうちの少なくとも一方を、ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理している遠隔スペクトルマネージャに送信するように構成されており、
前記スペクトルセンサと、前記構成及び管理ユニットは、前記非コグニティブ無線機から取り外し可能である、
方法。
【請求項１２】
電子デバイスを前記非コグニティブ無線機に接続して、前記電子デバイスが、前記ワイヤレスネットワークを通じてメッセージを送信及び受信することを可能にすること、
を更に含む、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記構成及び管理ロジックは、開放型システム間相互接続（ＩＳＯ）モデルのアプリケーションレベルにおいて、遠隔スペクトルマネージャと通信する、請求項１１の方法。
【請求項１４】
前記利用可能な周波数と利用可能なチャネルとのうちの少なくとも一方を、前記構成及び管理ユニットから、前記遠隔スペクトルマネージャに、前記アプリケーションレベルにおいて送信すること、
を更に含む、請求項１１の方法。
【請求項１５】
前記アンテナを前記非コグニティブ無線機から取り外すこと、
を更に含む、請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記ワイヤレスネットワーク中の前記非コグニティブ無線機を非コグニティブモードで操作すること、
を更に含む、請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記スペクトルセンサから集められたスペクトルデータをグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）で表示すること、
を更に含む、請求項１１の方法。
【請求項１８】
前記スペクトルセンサに対する動作設定を、前記ＧＵＩを通じて受け取り且つ適用すること、
を更に含む、請求項１７の方法。
【請求項１９】
前記スペクトルセンサは、
前記スペクトルの高次統計量（ＨＯＳ）と前記スペクトルの周期定常特徴とのうちの少なくとも一方に基づいて、少なくとも１つのスペクトル特性を決定する、請求項１１の方法。
【請求項２０】
国際的な電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）８０２．２２の標準規格に従って、前記コグニティブ無線機を操作すること、
を更に含む、請求項１１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の権利の申告
本発明は、米国陸軍によって与えられた契約番号第Ｗ１５Ｐ７Ｔ−０６−Ｃ−Ｐ４２３号のもとで、米国政府の支援で作成された。
【０００２】
発明の分野
本発明は、全体的に、ワイヤレス通信のための装置と、システムと、方法とに関する。より詳しくは、この装置と、システムと、方法は、ダイナミックな干渉（dynamic interference）からワイヤレス通信ネットワークを保護することに関する。特に、通信周波数のスペクトルをダイナミックに分析するコグニティブ無線機（cognitive radios）を使ってワイヤレスネットワークを保護するための装置と、システムと、方法とを提供する。
【背景技術】
【０００３】
従来からの軍事用（military）及び商用(commercial)のワイヤレス通信ネットワークは、ダイナミックな干渉環境に弱い。干渉は、敵のシステム又は味方の他のシステムから生じ得る。更に、今日のワイヤレスネットワークは、従来のシステム（incumbent system）を保護する必要がある。従来のシステムは、所定の周波数帯で既に動作しているかもしれない。従って、今日のワイヤレスネットワークは、これらの適法の従来のシステムの存在を検出し、必要であれば、スペクトルを空ける必要がある。以前のワイヤレスネットワークは、自律的に他の非占有周波数帯に移動する又は帯域幅を変更する知能を有していないことが多い。これらの無線システムを構築する際に、軍隊と多数の民間の経営者とによって、多くの資金が既に投じられている。現在、これらの無線システムは、ダイナミックスペクトルアクセス（dynamic spectrum access, DSA）がイネーブルにされていない。現在の軍隊の無線機をコグニティブ（cognitive）にするために、これらの無線システムは、国防総省(Department of Defense, DoD)と民間の通信事業者とから、より多くの投資を必要とする。
【０００４】
より詳細には、音声と、ビデオと、データとに対する世界的な需要を満たすために利用可能な十分な無線周波数(radio frequency, RF)スペクトルがあると、一般に考えられている。例えば、複数の異なる市場における平均スペクトル使用の測定値に基づいて、利用可能なスペクトルのうちの８０％を超えるスペクトルが利用されていることが分かった。現在のスペクトルの殆どは、指令、制御のライセンシング構造（command and control licensing structure）を使用して割り振られている。指令、制御のライセンシング構造では、少数の選ばれたエンティティが広いスペクトル帯を管理しており、その広いスペクトル帯の多くが利用されている。最も適切な例は、放送テレビジョン(ＴＶ)のスペクトルである。放送テレビジョン(ＴＶ)のスペクトルでは、信号は、通常、ＶＨＦとＵＨＦの周波数においてオーバーザエアで（over the air）送信される。地方の市場では、需要が限られているために、ＴＶチャネルはしばしば未使用になる。都市の市場では、大多数の人々が、ケーブル又は光ファイバを使用して、ＴＶ放送を受信し始めている。多くの国が、ディジタルＴＶ(Digital TV, DTV)に移行している。アナログＴＶと比較して、ディジタルＴＶでは、信号ははるかに小さな帯域幅を占有する。このため、サービスを放送するために割り振られるスペクトル量は、大きく且つますます増えているが、局部的に未使用である。この空のスペクトルの使用が、割り振られている(従来の)放送サービスに対して有害な干渉を引き起こさないことを確認できる場合に、広帯域データを送信するために、この空のスペクトルに機会を狙って（opportunistically）アクセスしてもよい。
【０００５】
ＲＦスペクトルを機会を狙って使用できるようにする技術は、既に存在する。このようなスペクトルを機会を狙って使用することは、しばしば、ダイナミックスペクトルアクセス（ＤＳＡ）と呼ばれる。ＤＳＡ技術が、従来のユーザを有害に干渉することなく、従来のユーザに割り振られたチャネルへのアクセスを可能にできることが、次世代通信（neXt Generation (XG) Communications）のようなプログラムによって証明された。コグニティブ無線の概念も実現可能であると思われる。コグニティブ無線機は、現在のユーザのニーズを満たすために、ＲＦスペクトルのような既存の資源をより最適に利用するように、周囲の環境を感知し且つ送信パラメータを変更することができる無線機として定義される。更に、干渉を回避する一方で、システムの資源をより良く使用するために、機械学習技術（machine learning technique）とＤＳＡ技術を組み合わせることが提案されている。他のコグニティブ無線の概念は、米国特許公開第２００８／０２９３３５３号(モディ（Mody）、他)と、米国特許公開第２００９／０１０２９８１号（モディ、他）と、米国特許公開第２００９／０１２４２０７号（モディ、他）と、文献（アプルヴァ Ｎ． モディ、ステファン Ｒ． ブラット、ネッド Ｂ． サマクホーン、トーマス Ｐ． マックエルワイン、ジョシュ Ｄ． ニズウェック、ディアン Ｇ． ミルズ、マシュー Ｊ． シャーマン、コリー Ｓ． マイヤーズ、「ホワイト及びグレイスペースにおける機械学習ベースのコグニティブ通信」、軍事通信協議会、２００７年、ＭＩＬＣＯＭ２００７、ＩＥＥＥ、１−７頁（Apurva N. Mody, Stephen R. Blatt, Ned B. Thammakhoune, Thomas P. McElwain, Joshua D. Niedzwiecki, Diane G. Mills, Matthew J. Sherman and Cory S. Myers, “Machine Learning Based Cognitive Communications In White As Well As The Gray Space,” Military Communications Conference, 2007. MILCOM 2007. IEEE, pp. 1-7））に記載されている。
【０００６】
将来は、様々な異なる波形とプロトコルとを使用する多数のこのようなＤＳＡ対応のコグニティブ無線デバイスが、利用可能なスペクトルを可能な限り使用するために、コグニティブネットワークにおいて共存する（co-exist）であろう。競合する技術が、様々なタイプのサービスのために異なるタイプの波形とプロトコルとを用いることになるので、ここでは、共存という単語が重要である。これらの種々の波形とプロトコルは、相互に害することなく、スペクトル資源を共有する必要があるので、共存する必要がある。電気電子技術者協会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)の標準規格のワーキンググループのうちの幾つか、例えばＩＥＥＥ  ８０２．１５．２は、共存という用語を、「所定の共有環境において、１つのシステムが、あるタスクを行なうことができ、他のシステムが、それらの他のシステムのタスクを行なうことができ、同じルールセットを使用しても、又は使用していなくてもよい。」と定義した。
【０００７】
ＩＥＥＥ８０２．２２の標準規格は、ワイヤレス地域エリアネットワーク（wireless regional area networks, WRAN)に関する。ＷＲＡＮは、他のユーザを干渉することなく、テレビジョンの放送帯域におけるホワイトスペース（white space）(未使用の帯域幅)を使用する。この標準規格は、主として、コグニティブ無線を補強するという概念に基づいており、これは、スペクトルの感知及び管理と、スペクトルの移動性（mobility）及び共有とを含む。スペクトルの感知及び管理は、概ね、ユーザのサービス品質（quality of service, QoS)の条件を満たす最良のスペクトルを検出し、他のユーザを有害に干渉することなく、そのスペクトルを使用することに関する。スペクトルの移動性及び共有は、１つのスペクトルから別のスペクトルに移る場合に(例えば、ダイナミックな周波数選択、周波数ホッピング、等)、シームレスな通信を維持することを可能にし、スペクトルの割り振りにおける公平性(例えば、平等なアクセス)を図る。
【０００８】
この目的のために、共通の帯域幅を共有するコグニティブ無線機及びネットワークは、平等に又はさもなければ公平に配分されるように、利用可能なスペクトルの異なる部分にアクセスすることによって、相互に効果的に自己共存（self-coexist）しなければならない。このような自己共存の実行は、簡単でない。コグニティブ無線機の共存を必要とする状況の中で、資源を割り振る利用可能な方法は現在ない。更に、従来からの共存技術は、通信システムの動作の概念を変更する必要があるので、レガシーシステム（legacy system）は、共存を必要とするシステムと相互に動作可能ではない。
【発明の概要】
【０００９】
好ましい実施形態は、コグニティブ無線システムを含む。コグニティブ無線システムは、非コグニティブ無線機と、電子デバイスと、スペクトル感知ロジックと、構成及び管理ロジックとを含む。電子デバイスは、ワイヤレスネットワークヘ／から、メッセージを送信及び／又は受信するように、電子デバイスは非コグニティブ無線機に接続される。構成及び管理ロジックは、非コグニティブ無線機とスペクトル感知ロジックとの間に接続される。コグニティブ無線機として動作する場合に、スペクトル感知ロジックと、構成及び管理ロジックは、コグニティブ無線機が非コグニティブモードで動作することを可能にする非コグニティブ無線機から取り外し可能である。スペクトル感知ロジックは、利用可能な周波数と利用可能なチャネルとを決定するために、ワイヤレス環境を感知する。構成及び管理ロジックは、利用可能な周波数、利用可能なチャネル、又は他のスペクトルデータを、遠隔スペクトルマネージャに送信し、遠隔スペクトルマネージャは、ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理する。
【００１０】
好ましい実施形態の他の構成では、構成及び管理ロジックは、開放型システム間相互接続(Open Systems Interconnection, ISO)の７層モデルのアプリケーションレベルにおいて、遠隔スペクトルマネージャへ、及び遠隔スペクトルマネージャから、メッセージを送る。メッセージは、アプリケーション層において、インターネットプロトコル(internet protocol, IP)のアドレス指定で設定された論理的な接続を通じて送ることができる。
【００１１】
別の構成では、非コグニティブ無線機と電子デバイスとの間と、非コグニティブ無線機と構成及び管理ロジックとの間に、スイッチを接続することができる。スイッチを使用して、これらのデバイス間におけるメッセージングのルートを決めることができる。構成及び管理は、モードロジックを含むことができる。モードロジックは、コグニティブ無線システムをいつ自律モードにするかと、サーバとして働く遠隔スペクトルマネージャに対して、クライアントとして働くコグニティブ無線システムを使って、コグニティブ無線システムをいつクライアント／サーバモードにするかと、を決定する。自律モードにおいて、構成及び管理ロジックは、指定周波数範囲を走査し、スペクトル密度と、利用可能な周波数と、利用可能なチャネルと、からなるグループのうちの少なくとも１つに関する周期的な報告を、スペクトルマネージャに提供する。
【００１２】
好ましい実施形態の別の構成では、コグニティブ無線システムは、ディスプレイを含むことができる。ディスプレイは、構成及び管理ロジックによって生成され、スペクトル感知ロジックのために、利用可能なチャネル、利用可能でないチャネル、チャネルのスペクトル特性、信号の分類結果、及び／又はパラメータの設定を表示することができる。ディスプレイは、非コグニティブ無線機に結び付けられた電子デバイスにおいて表示され得る。幾つかの構成では、電子デバイスはラップトップである。
【００１３】
好ましい実施形態の別の構成では、コグニティブ無線機は、ワイヤレス信号を捕捉するアンテナと、アンテナとスペクトル感知ロジックとの間に接続される低ノイズプリアンプ(Low Noise pre-Amplifier, LNA)とを含む。ＬＮＡは、信号をスペクトル感知ロジックに入力する前に、信号の有効ノイズ指数(Noise Figure, NF)を下げる。
【００１４】
好ましい実施形態の別の構成は、非コグニティブ無線機をコグニティブ無線機に変換する方法である。この方法は、構成及び管理ユニットとアンテナとの間に、スペクトルセンサを接続する。スペクトルセンサは、利用可能な周波数及び／又は利用可能なチャネルを決定するために、ワイヤレス環境を感知する。この方法は、構成及び管理ユニットを非コグニティブ無線機に接続する。構成及び管理ユニットは、利用可能な周波数及び／又は利用可能なチャネルを、遠隔スペクトルマネージャに送信する。遠隔スペクトルマネージャは、ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理する。構成及び管理ユニットは、情報を交換するために、ＴＣＰ／ＩＰパケットを使用して、ＩＳＯモデルのアプリケーションレベルにおいて、遠隔スペクトルマネージャと通信することができる。この方法は、国際的な電気電子技術者協会(International Electrical and Electronic Engineers Institute, IEEE)８０２．２２の標準規格に従って、コグニティブ無線機を操作することができる。スペクトルセンサと、構成及び管理ユニットは、非コグニティブ無線機から取り外し可能である。
【００１５】
この方法は、追加のステップを行ない、及び／又は他の有益な特徴を有することができる。例えば、この方法は、電子デバイスを非コグニティブ無線機に接続して、電子デバイスがワイヤレスネットワークを通じてメッセージを送信及び受信することを可能にする。この方法は、システムが非コグニティブ無線機として動作することを可能にする非コグニティブ無線機から、アンテナと、スペクトルセンサと、構成及び管理ユニットとを取り外すことができる。方法は、グラフィカルユーザインターフェイス（graphical user interface, GUI）を使用して、スペクトル分析器から集められたスペクトルデータを表示することができる。更に、方法は、スペクトルセンサに対する動作設定を、ＧＵＩを通じて受け取り且つ適用することができる。
【００１６】
別の構成では、各構成及び管理ユニットに取り付けられたセンサを有することもあり、又は有さないこともある。
【００１７】
別の構成では、スペクトルマネージャは、ネットワーク中の制御ノード又は基地局に存在し得る。
【００１８】
別の構成では、スペクトルマネージャは、ネットワークの外部に存在し、更に、ネットワークマネージャとして機能し得る。
【００１９】
別の構成では、スペクトルマネージャは、全ての加入者ノードに存在し得る。
【００２０】
別の構成では、スペクトルマネージャは、それに関連付けられたＩＰアドレスを有し得る。
【００２１】
別の構成では、全てのソフトウェアコンポーネント、例えば、スペクトルマネージャと、構成及び管理と、スペクトル感知ルーチンは、それらに関連付けられたＩＰアドレスを有し得る。
【００２２】
別の構成では、ネットワーク中の全てのノードは、構成及び管理ユニットを含み得る。
【００２３】
別の構成では、ネットワーク中の全てのノードは、スペクトルマネージャを含み得る。
【００２４】
別の構成では、感知アンテナは、無線アンテナと異なり得る。
【００２５】
別の構成では、センサと無線機との両者は、アンテナを共有できる。
【００２６】
別の構成では、システムのトポロジは、ポイントツウマルチポイント（Point to Multipoint）であり得る。
【００２７】
別の構成では、システムのトポロジは、アドホックメッシュ（ad hoc mesh）であり得る。
【００２８】
別の構成では、スペクトル感知を使用して、帯域内（in-band）と帯域外（out of band）の干渉を検出する。ここで、帯域内は、無線機の現在の動作チャネルを指し、帯域外は、無線機が現在動作していない任意のチャネルを指す。
【００２９】
別の構成では、無線統計を使用して帯域内の干渉を監視し、感知を使用して帯域外のバックアップチャネルを見付ける。
【００３０】
別の構成では、センサは、同期した静止期間（synchronized quiet period）中に動作し得る。
【００３１】
別の構成では、センサは、同期した静止期間外に感知を行う。
【００３２】
別の構成では、センサは、任意の静止期間外に動作する。
【００３３】
別の構成では、スペクトルセンサが、スペクトルの高次統計量(higher order statistics, HOS)及び／又はスペクトルの周期定常特徴（cyclostationary features）に基づいて、少なくとも１つのスペクトル特性を決定できるように、この方法はスペクトルセンサを操作することができる。
【００３４】
好ましい実施形態の他の構成は、ＤＳＡの能力がある無線機（DSA capable radio）に対するハードウェア又はファームウェアの変更を必要とすることなく、現在の軍事用の無線機を、ＤＳＡの能力がある無線機に変換する、方法及びシステムを提供する。更に、この構成は、システムレベルにおけるコグニティブネットワーキング（cognitive networking）を早く評価して、パラメータを測定する。パラメータは、例えば、メッセージングのオーバーヘッド、待ち時間、ネットワークのスケーラビリティ、等である。埋め込まれたセンサと対照的に、外部センサを使用することによって、無線機を、ＤＳＡの能力があるものにすることができ、無線周波数スペクトルを干渉について監視して、無線機が移動できるバックアップチャネルを決定することができる。高度な特徴ベースの感知アルゴリズムを使用して、ダイナミックな干渉環境を特徴付けることができる。
【００３５】
全てのノードにセンサを有することなく、コグニティブネットワーキングの能力を証明できることが明らかにされた。１つの構成では、スペクトルの監視と、ネットワークの管理と、無線制御とのために、ＩＰとＳＮＭＰとを通じて、アプリケーションレベルのメッセージングを可能にすることができる。コグニティブエンジンは、スペクトルマネージャ(Spectrum Manager, SM)とも呼ばれる。コグニティブエンジンは、それを容易に変更可能にする、ＪＡＶＡ（登録商標）のような高水準言語で書くことができる。この構成は、スペクトルのより高いレベルの競合の低下（de-confliction）のために、スペクトル情報をＮｅｔＯｐｓに供給することによって、ネットワークの知能を大幅に高める。
【００３６】
最良の様式を示す１つ以上の好ましい実施形態が、図面と以下の説明とに明らかにされている。請求項は、本発明を個々に明確に示して明らかにしている。
【００３７】
添付の図面は、明細書に組み込まれ、明細書の一部を構成している。添付の図面は、様々な例示的な方法と、本発明の様々な態様の他の例示的な実施形態とを示している。図面に示されている要素の境界(例えば、ボックス、ボックスのグループ、又は他の形状)は、境界の一例を表わしていることが分かるであろう。幾つかの例では、１つの要素が複数の要素として設計され得ること、又は、複数の要素が１つの要素として設計され得ることが、当業者に分かるであろう。幾つかの例では、別の要素の内部コンポーネントとして示されている要素を、外部コンポーネントとして実施してもよく、逆の場合も同様であり得る。更に、要素は、共通の尺度をもつように示されていないかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】コグニティブ無線機(ＣＲ)を使って実施されるワイヤレス地域エリアネットワーク(ＷＲＡＮ)の例示的な実施形態を示している。
【図２】異なるワイヤレスネットワークの標準規格の特性を示している。
【図３】従来の無線機と共存する、ＩＥＥＥ８０２．２２に準拠した無線機を示している。
【図４】時間と周波数とに関するチャネルの従来のものの例示的なパターンを示している。
【図５】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態を示している。
【図６】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態の別の構成を示している。
【図７】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態に関連付けられた、スペクトル感知モジュール(spectrum sensing module, SSM)の１つの実施形態を示している。
【図８】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態に関連付けられた構成及び監視(configuration and monitoring, C&M)ロジックの例示的な状態機械の１つの実施形態を示している。
【図９】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態に関連付けられたスペクトルマネージャ(ＳＭ)の例示的な状態機械（state machine）の１つの実施形態を示している。
【図１０】コグニティブ無線システムの好ましい実施形態に関連付けられたＳＭディスプレイコンソールの１つの実施形態を示している。
【図１１】ＳＭとＣ＆Ｍとの間におけるアプリケーションレベルのメッセージングの例を示している。
【図１２】非コグニティブ無線機をコグニティブ無線機に変換する方法として構成される好ましい実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
同様の番号は、複数の図面の全体を通して同様の部分を示している。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態の詳細を紹介する前に、電気電子技術者協会(ＩＥＥＥ)８０２．２２の標準規格を概説する。この標準規格は、ワイヤレス遠隔エリアネットワーク（wireless remote area networks, WRAN）に関連付けられている。ＷＲＡＮは、コグニティブ無線機（cognitive radio, CG）を用いており、本発明の好ましい実施形態は、これに関連付けられている。
【００４１】
図１に示されているように、８０２．２２のシステム１００は、固定のポイントツウマルチポイント(point-to-multipoint, P-MP)のワイヤレスエアーインターフェイスを特定しており、基地局（base station ,BS）１は、自らのセル３と、関連付けられている顧客構内設備（consumer premise equipment, CPE）２とを管理する。商用環境（commercial environment）では、ＢＳ１は、専門的にインストールされたエンティティであり、例えばセルラタワー（cellular tower）である。ＢＳ１とＣＰＥ２は、マスタスレーブタイプ(master slave type)の関係を形成しており、ＢＳが、ダウンストリーム方向で様々なＣＰＥ２に送信することによって、セルにおける媒体のアクセスを制御する。ＣＰＥ２は、セル内で自由に送信する権限をＢＳ１によって与えられた後で、セル内で自由に送信することができる。８０２．２２のセル３(又は、単に、セル)は、全体的に、１つの８０２．２２のＢＳ１と、この８０２．２２のＢ１に関連付けられ且つ制御されるゼロ以上の８０２．２２のＣＰＥ２とによって形成されていると定義される。８０２．２２のＢＳ１からの送信信号が、関連付けられている８０２．２２のＣＰＥ２によって、所定の最低の信号対雑音比（signal to noise ratio, SNR）の信号品質で受信されることが可能な地点まで、この受信可能エリアは広がっている。
【００４２】
ＢＳ１のこれまでの役割に加えて、８０２．２２のシステム１００では、ＢＳは、分散感知（distributed sensing）の特有の特徴を更に管理する。これは、適切な従来の保護を保証することが必要とされており、ＢＳ１によって管理される。ＢＳ１は、様々なＣＰＥ２に、異なる通信チャネルの分散測定（distributed measurement）を行なって、チャネルが使用中であるかどうかを決定するように命令する。ＢＳ１は、受信したフィードバックに基づいて、何らかの措置をとるべきであれば、どの措置を取るべきかを決める。
【００４３】
他の既存のＩＥＥＥ８０２の標準規格と比較して、８０２．２２ＷＲＡＮの別の際立った特徴は、ＢＳの受信可能範囲である。電力を問題にしないならば、ＢＳの受信可能範囲を１００ｋｍまで伸ばすことができる(現在の指定受信可能範囲は、４ワットの等価等方放射電力（Equivalent isotropically radiated power, EIRP）で、３３ｋｍである)。図２に示されているように、ＷＲＡＮは、これまでのネットワークよりもはるかに大きな受信可能範囲を有する。これは、主として、ＴＶの周波数帯の好ましい伝搬特性とより高い電力とによる。この拡張された受信可能範囲は、特有の技術的課題と機会とを提供する。
【００４４】
８０２．２２のエアーインターフェイスに対する重要な１つの条件は、フレキシビリティと適応性である。その理由は、従来のデバイスが保護されなければならないスペクトルで、８０２．２２が動作するからである。８０２．２２のシステムはライセンスを受けずに動作でき、ＢＳは大きなエリアにサービスするので、図１に示されているような、部分的に重なり合った８０２．２２のネットワーク間の同じ場所に位置する８０２．２２のセルの自己共存（self-coexistence）は、図３に示されているような、従来のものとの共存（coexistence）と同様に、最も重要である。従来のものとの共存は、正確で高速のスペクトルの感知と、測定と、検出アルゴリズムと、スペクトルの管理とによって達成される。これは、ＣＰＥとＢＳとによって行なわれる。従って、これらの技術により、フレキシビリティと適応性は非常に高くなる。ＰＨＹユニットと媒体アクセス制御装置(medium-access controller, MAC)は、共存の問題に対処するために、このフレキシビリティと適応性とをサポートするように設計されている。
【００４５】
図４は、時間と周波数とについての、従来のものによるチャネルの占有の例示的なパターンを示している。この図に示されているように、ＣＰＥによる送信の機会(即ち、チャネルが空である時間)は、ランダムな挙動（random behavior）をしばしば経験する。ランダムな挙動は、ＭＡＣとＰＨＹとの両者の設計に影響を及ぼす。ＷＲＡＮの適用には、恐らく可変のスループットで可変数のユーザをサポートするダウンストリームにおけるフレキシビリティが必要である。更に、ＷＲＡＮは、アップストリームにおける多重アクセスをサポートする必要がある。マルチキャリア変調技術は、信号の時間と周波数の領域の両者を制御できるので、マルチキャリア変調技術は、この点に関して非常にフレキシブルである。これは、二次元(時間と周波数)のスロットを定めて、両方向で送信されるサービスを、これらのスロットのサブセットにマップする機会を提供する。現在の８０２．２２のドラフトは、幾つかの技術的改良、例えばチャネルボンディング（channel bonding）を備えた、ダウンストリームリンク及びアップストリームリンクに対するＯＦＤＭＡ変調に基づく。ＷＲＡＮは、一般に長い遅延拡散(大きな地域又は大都市エリアにおいて２５ｕｓ乃至５０ｕｓまで)により特徴付けられる。このため、約４０ｕｓのサイクリックプレフィックス（cyclic prefix）を使用する必要があり得る。サイクリックプレフィックスによるオーバーヘッドの影響を弱めるために、およそ２Ｋの搬送波を１本のチャネルで使用することができる。
【００４６】
更に、８０２．２２のＰＨＹは、変調と符号化とに関して、高いフレキシビリティを提供すべきである。例えば、図１のシナリオを検討する。図１において、ＣＰＥは、ＢＳから様々な距離に配置され得るので、異なる信号対雑音比(ＳＮＲ)の品質を経験し得る。この問題を克服し、システムの効率を改善するために、ＢＳは、少なくともＣＰＥ毎に、帯域幅と、変調と、符号化とを、ダイナミックに調節できるべきである。ＯＦＤＭＡは、ＣＰＥの条件に合うように、副搬送波を効率的に割り振ることができるので、ＯＦＤＭＡは、これらの目標を達成するのに良く適している。加入者を４８本のサブチャネルに分けてもよく、変調方式、例えば、ＱＰＳＫ、１６−ＱＡＭ、６４ＱＡＭを、畳み込み符号化と共に使用できることが、当業者に分かるであろう。これは、サブチャネル当たりに数Ｋｂｐｓから始まって、チャネル当たりに１９Ｍｂｐｓまでのデータレートを提供する。これは、十分なフレキシビリティを提供するはずである。
【００４７】
より広い帯域幅が、周波数非選択性フラットフェージング（frequency-non-selective flat fading）を低減し、周波数選択性フェージングのチャネル環境において更なる周波数ダイバーシティを提供することは、当業者に周知である。更に、より広い帯域幅は、より大きなキャパシティを提供する。従って、スペクトルが利用可能である場合は必ず、より広い帯域幅のシステムを使用するのが有益である。このような利用可能なより広いスペクトルを使用して、データレートと距離との兼ね合いをとることができる。例えば、ＢＳにより近いデバイスは、大きなキャパシティを有することができ、一方で、遠くのデバイスは、マルチパスダイバーシティと、より大きな送信及び受信電力とから恩恵を得ることができる。予備的なリンクバジェット分析（preliminary link budget analysis）は、１本のみのＴＶチャネルを送信に使用することによって、８０２．２２の条件(３０Ｋｍで約１９Ｍｂｐｓ)を満たすのは、困難であることを示している。隣接チャネルを統合することによるチャネルボンディングを使用すると、この条件を満たすことができる。２つのチャネルボンディング方式がある。即ち、隣接チャネルのボンディングと、非隣接チャネルのボンディングである。現在の８０２．２２のドラフトは、これらの両者の方式をサポートしている。
【００４８】
図５は、ＣＲ５０２のシステム５００として構成された本発明の好ましい実施形態を示している。このシステムのＣＲ５０２は、ワイヤレスネットワークの４つの異なるノード１−４を表わしている。このシステム５００の各ＣＲ５０２は、構成及び監視(Ｃ＆Ｍ)ロジック５０６と、非ＤＳＡ無線機５０８とを含んでいる。ノード１と、２と、４の３つは、アンテナ５１０に関連付けられたスペクトル感知ロジック５０４を更に含んでいる。ノード１−４は、非コグニティブ無線機２０８に接続された１台以上のコンピュータ５１１(例えば、ラップトップ)をオプションで更に含み得る。
【００４９】
ここで使用されている「ロジック」は、１つ（又は複数）の機能又は１つ（又は複数）の動作を行なうために、並びに／或いは、別のロジック、方法、及び／又はシステムから機能又は動作を行わせるために、ハードウェア、ファームウェア、マシンに記憶されている又はマシンで実行される命令、並びに／或いは各々の組み合わせを含むが、これらに制限されない。ロジックは、ソフトウェアで制御されるマイクロプロセッサ、ディスクリートロジック(例えば、ＡＳＩＣ)、アナログ回路、ディジタル回路、プログラムされたロジックデバイス、命令を含んでいるメモリデバイス、等を含み得る。ロジックは、少なくとも１つの回路、１つ以上のゲート、ゲートの組み合わせ、又は他の回路コンポーネントを含み得る。複数の論理的ロジックが記載されている場合に、複数の論理的ロジックを１つの物理的ロジックに組み込むことが可能であり得る。同様に、１つの論理的ロジックが記載されている場合に、その１つの論理的ロジックを複数の物理的ロジックに分散させることが可能であり得る。
【００５０】
スペクトル感知ロジック５０４は、そのアンテナ５１０によって捕捉された周波数データを監視し、どのチャネル及び／又は周波数が使用されているか又は使用されていないかを、構成及び監視ロジック５０６に報告する。構成及び監視(Ｃ＆Ｍ)ロジック５０６は、この情報を、ノード１−４のうちの１つであって、スペクトルマネージャ(ＳＭ)として働くものに報告する。スペクトル感知ロジック５０４と、構成及び監視ロジック５０６は、他のコグニティブ無線機能を行なうことができる。他のコグニティブ無線機能は、例えば、８０２．２２の標準規格に記載されているものである。図５では、ノード４の構成及び監視ロジック５０６は、ＳＭとして働き得る。システム５００の１つの構成では、ＳＭとして働かない他のノード１−３は、マスタ−スレーブ関係にあるＳＭに報告し、そのＳＭによって制御される。
【００５１】
ＳＭは、システム５００のコグニティブエンジンとして働くことができる。ＳＭは、ノード１−４の各々からのスペクトル感知情報と無線リンク統計とを監視し、無線ネットワークに対する周波数帯域幅(ＢＷ)又は電力の変更が必要であるかどうかを決める。好ましい実施形態の幾つかの構成では、非ＤＳＡ無線機５０６に結び付けられたラップトップは、構成及び監視ロジック５０６の全て又は一部分に取って代わり得るので、構成及び監視ロジック５０６で通常行なわれるコグニティブ機能を、ラップトップで行なうことができる。更に、１つのラップトップが、ネットワーク５１２のＳＭとして働くことができる。ＳＭは、ＳＭに関連付けられた専用のＩＰアドレスを有するので、ＳＭは、ノード１−４のうちの何れかに存在し得るが、ポイントツウマルチポイント(Point to Multi-Point, PMP)のネットワークトポロジでは、ＳＭは制御ノード(Control Node, CN)に存在する可能性が高い。
【００５２】
好ましい実施形態の１つの構成では、専用のインターネットプロトコル(ＩＰ)のアドレスを、１つ以上のモジュールに割り当てることができる。これは、ＩＰ／シンプルネットワークマネジメントプロトコル(simple network management protocol, SNMP)のアプリケーションレベルのメッセージを使用して、これらのモジュールにアクセスし、これらのモジュールを構成することを可能にする。バックボーンとしてＩＰを使用すると、システム５００は異なる無線ネットワークに容易に適応でき、ネットワークをスケーラブルにでき、ネットワーク内のノード５０２の数をシームレスに増加できる。無線機５０２の監視と制御のために、アプリケーションレベルにおけるＩＰとＳＮＭＰのメッセージングを使用すると、非コグニティブ無線機５０８のハードウェア又はファームウェアに必要な変更がないかもしれないことを意味する。実際に、非コグニティブ無線機５０８のソフトウェア(例えば、ＭＡＣ)のメッセージングに必要な変更はないかもしれない。
【００５３】
従来からのワイヤレスシステムと異なり、図５のシステム５００は、情報交換のためのアプリケーションレベルのメッセージングと、システムの監視及び制御とを使用し、その結果、ＩＰカプセル化条件のために、幾つかのオーバーヘッドが追加される。しかしながら、後述で説明されるように、システム５００の実際の情報のスループットと比較すると、これらのオーバーヘッドは重要ではない。
【００５４】
ビーエーイー・システム（BAE System Inc.）は、図６に示されている、ロバストネスと効率のための敏捷なスペクトル利用(Agile Spectrum Utilization for Robustness and Efficiency, ASURE)として知られている構成の図５のシステム５００をテストした。図６の例示的なシステム６００は、３つのノード１−３を含んでいる。３つのノード１−３は、ネットワーク６３０を通じて一緒に接続されている。ＡＳＵＲＥシステムでは、各ノード６０２は、ソフトウェアの制御可能な非ＤＳＡ無線機６０８と、無線周波数(ＲＦ)コレクタ６０４(例えば、図５のスペクトル感知ロジック５０４)と、ラップトップ６１１とを含む。ソフトウェアの制御可能な非ＤＳＡ無線機６０８は、その構成を可能にする必要なインターフェイスを有している。ネットワーク層のスイッチ６２０は、無線機６０８と、ラップトップ６１１と、ＲＦコレクタ６０４とを接続し得る。コレクタ６０４が、アンテナ６１０に取り付けられ得る。ラップトップ６１１は、スペクトル感知と、Ｃ＆Ｍと、ＳＭコグニティブエンジンアルゴリズムとを含む。図６は、ＰＭＰ構成の、３つのノードを有するテストベッド（test-bed）を示している。ネットワークのスケーラビリティとネットワークのトポロジ(例えば、この場合は、ＰＭＰ)は、無線機６０８の能力によって判断され、利用されているコグニティブ無線アルゴリズムによっても、ＡＳＵＲＥシステムのアーキテクチャによっても制限されない。ＡＳＵＲＥシステム６００は、コグニティブ無線ネットワークの監視と制御とのために、複数の無線リンク自体を使用する。別のバックアップリンクは必要ない。
【００５５】
図６のＡＳＵＲＥシステム６００では、戦闘員情報ネットワーク−戦術(Warfighter Information Network - Tactical, WIN-T)のローカルエリア波形(local Area Waveform, LAW)の無線機が、ＡＳＵＲＥのテストベッドの証明に使用された。しかしながら、ソフトウェアの可制御性（software controllability）を備える他の無線機を使用してもよい。ＡＳＵＲＥの場合に、ＷＩＮ−Ｔ  ＬＡＷ無線機は、ＰＭＰモードで動作する。ＷＩＮ−Ｔ  ＬＡＷ無線機は、無線ＭＩＢオブジェクト（radio MIB object）を読み出し且つ書き込むことができるネットワーク／アプリケーションレベルのＳＮＭＰメッセージを使用して、パラメータを制御できるように設計されている。
【００５６】
ＡＳＵＲＥシステム６００は、市販の既製品(commercial off the shelf, COTS)の部分をＲＦコレクタ６０４に使用した。このＲＦコレクタ６０４は、本質的に、チューナとディジタイザとである。ディジタイザは、目的とする特定の帯域で集められた実部(real)と虚部(imaginary)（ＩＱ）の波形のサンプルを、スペクトル感知アルゴリズムに提供することができる。スペクトル感知アルゴリズムは、これらのチャネルに存在する信号の性質を決定する。スペクトル感知モジュール(ＳＳＭ)は、対応するラップトップ６１１で実行されるスペクトル感知アルゴリズムに接続されたＲＦコレクタ６０４から構成されている。
【００５７】
ＲＦコレクタ６０４と、対応する無線機６０８は、ネットワークスイッチ６２０を介して、対応するラップトップ６１１に接続される。対応するラップトップ６１１は、Ｃ＆Ｍと、ＳＭと、スペクトル感知とに関係する様々なソフトウェアプログラムを実行する。将来、これらのソフトウェアルーチンは全て、無線機６０８又は他の何らかの専用のハードウェアにおいて実行され得ると考えられる。
【００５８】
ＡＳＵＲＥシステム６００をテストする一方で、無線機が動作する周波数帯で動作できる様々なタイプの波形を、信号発生器を使用して送信することによって、ダイナミックな干渉環境を生成した。更に、別のＷＩＮ−Ｔネットワークを使用して、ネットワークの共存のシナリオを生成した。
【００５９】
ＡＳＵＲＥシステム６００は、全てのノードにセンサ５０４を有することなく、コグニティブネットワーキングの能力を証明できることを示している。ＩＰとＳＮＭＰとを通じて可能にされるアプリケーションレベルのメッセージングは、スペクトルの監視と、ネットワークの管理と、無線制御とに使用される。コグニティブエンジンは、容易に修正するために、ＪＡＶＡ（登録商標）のような高水準言語で書くことができる。ＡＳＵＲＥシステム６００は、有利な及び不利なモバイルの干渉が存在する場合におけるこのようなＤＳＡ対応のＷＩＮ−Ｔ  ＬＡＷ無線ネットワークの動作の性能を証明した。無線システムが、無線機の制御と監視に必要なインターフェイス(例えば、管理情報ベース（Management Information Base, MIB）と、シリアル又はイーサネット（登録商標）のポートの形態をとるハードウェアインターフェイス）を備えている限り、ＡＳＵＲＥシステム６００とアルゴリズムは、ほぼどんな無線システムでも機能できるように設計されている。
【００６０】
後述で更に説明されるように、ＡＳＵＲＥの証明は、米国陸軍のサーデック（ＣＥＲＤＥＣ）のフォートディクス（Fort Dix）の施設で実行された。ＡＳＵＲＥの証明は、ダイナミックな干渉環境が存在する場合にリアルタイムのシステムの接続とリンクの品質とを維持する一方で、非ＤＳＡを備えた軍事用無線機を使用して、自律型の高度なスペクトルの敏捷性（agility）を取り込むことができることを示している。
【００６１】
図７は、ＡＳＵＲＥのＳＳＭを示している。ＳＳＭは、特別設計のスペクトル感知アルゴリズムを実行するコンピュータ６１１にイーサネット（登録商標）ケーブルを通じて接続されたＣＯＴＳのＲＦコレクタ６０４から構成される。これらのコンポーネントを合わせてＳＳＭを形成している。ＣＯＴＳのＲＦコレクタの部分は、適度なコストの広帯域ＲＦ受信機であり、２０ＭＨｚから５．９ＧＨｚの周波数の有効範囲と、２０ＭＨｚのディジタルの中間周波数(Intermediate Frequency, IF)のＢＷと、送信制御プロトコル(transmission control protocol, TCP)のネットワークインターフェイスと、５１２ＭＢの取り込みメモリバッファと、全地球測位システム(global positioning system, GPS)又はネットワークインターフェイス(例えば、ＩＥＥＥ １５８８)による高精度のクロック同期を備えたオプションの統合型高精度ＧＰＳ受信機とを備えている。ＣＯＴＳの部分に関係付けられたダイナミックリンクライブラリ(dynamic link library, DLL)をダウンロードして、ハードウェアを制御し、そこからリアルタイムの情報を抽出してもよい。
【００６２】
有効ノイズ指数(ＮＦ)を下げ、感度を上げるために、ＣＯＴＳのＲＦコレクタのフロントエンドにおいて、低ノイズプリアンプ(ＬＮＡ)を使用することが、非常に望ましい。ＳＳＭの動作のために、２つのモードが定められている。自律モードでは、ＳＳＭは、走査する周波数範囲を与えられ、信号がどこで検出されたかと、どの周波数が利用可能であるかについて、ＳＭに周期的に報告する。この動作モードでは、ＳＳＭは、検出信号に対して、信号の分類を行なわない。ＳＭに報告される測定値のうちの幾つかは、利用可能な周波数チャネルと、それらの総電力スペクトル密度とについての報告を含む。次に、無線機が現在の動作チャネルから移動する必要がある場合に、これらの測定値を使用して、バックアップチャネルに優先順位を付ける。更に、ＳＳＭは、クライアント／サーバ構成で動作でき、この場合に、ＳＭは、ＳＳＭに、特定のチャネルを走査して、検出信号の存在を確かめて、それを分類するように要求することができる。次に、この信号の分類情報を使用して、より多くの情報に基づく決定をＳＭにおいて行うか、又はこの信号の分類情報をより高い層、例えばネットワークオペレーションズ（network operations, NetOps）に渡す。より高い層では、この情報は、スペクトルの計画とポリシーとに使用され得る。
【００６３】
ＳＳＭは、高次統計量(ＨＯＳ)と周期定常特徴とに基づいて、特別設計の特徴をベースにしたスペクトル感知アルゴリズムを使用できる。エネルギに基づく信号検出も利用可能であるが、セキュリティ上の問題のために、広範囲にわたって使用されないかもしれない。
【００６４】
図８は、ＡＳＵＲＥ構成及び監視(Ｃ＆Ｍ)ロジックの状態機械図を示している。状態機械図における各フローは、（イベント／動作）のタプル（tuple）によって表現されている。（イベント／動作）のタプルは、発生した特定のイベントに応答して取られる動作を特定している。イベントに対する数字は、ＡＳＵＲＥメッセージＩＤを示している。
【００６５】
Ｃ＆Ｍロジックは、ＪＡＶＡ（登録商標）で符号化され、ノードの各々に存在し、ＳＳＭと無線機とにインターフェイスし得る。Ｃ＆Ｍは、ノードの各々とＳＭとの間のリンクとして働く。Ｃ＆Ｍは、無線機とＳＳＭとを監視及び制御するソフトウェアを含む。更に、Ｃ＆Ｍは、ローカルの知能と意思決定の能力を含むことができる。
【００６６】
Ｃ＆Ｍロジックは、スペクトル感知情報をＳＳＭから周期的にフェッチする。ローカルメモリに存在する既に記録された情報を変更する場合に、これは、この情報をＳＭに送信する。更に、Ｃ＆Ｍは、無線リンクパラメータを監視する。無線リンクパラメータは、例えば、受信信号強度インジケータ(received signal strength indicator, RSSI)と、搬送波対干渉及び雑音比(carrier to Interference plus noise ratio, CINR)と、変調及び符号化フォーマットと、ノードに入る及びノードから出る全てのフローに対する無線機のパケット誤り率（packet error rate, PER）である。Ｃ＆Ｍは、この情報をＳＭに周期的に送る。これらのパラメータの何れかに対する突然の変化の場合に、Ｃ＆Ｍは、緊急リンク更新メッセージをＳＭに送ることができる。ＳＭは、周波数、ＢＷ、又は電力を変更する必要があるかどうかを決める。
【００６７】
更に、Ｃ＆Ｍロジックは、管理及び制御コマンドをＳＭから吸収し、それらに従って動作することができる。これらの要求には、ＳＳＭ構成、チャネル移動に対する無線再構成、特定の感知要求、等のような様々なタイプがある。ＳＭからの無線再構成要求は、Ｃ＆Ｍロジックに、無線パラメータ、例えば、動作周波数、帯域幅、電力、等を再構成するように命令する。これは、無線機がダイナミックな干渉環境を回避することを可能にする。ＳＭへのリンクが失われた場合に、Ｃ＆Ｍロジックは、更に、ランデブー（rendezvous）の実行の責任を担うことができる。
【００６８】
図９は、ＡＳＵＲＥコグニティブエンジン(スペクトルマネージャ)の動作を、状態機械図として示している。ＡＳＵＲＥコグニティブエンジンは、上述のようにスペクトルマネージャ(ＳＭ)とも呼ばれる。ＳＭは、その固有のＩＰアドレスによってアドレス指定されるので、ＳＭは、ネットワークのほぼどんな部分／モジュールにも存在できる。
【００６９】
ＳＭは、ノードの各々から、ローカルな感知及びリンクパラメータ情報を吸収し、無線ネットワークパラメータ、例えば、周波数、ＢＷ、又は電力を変更する必要があるかどうかを決定することに責任を担う。無線動作周波数とＢＷとの変更を可能にするＡＳＵＲＥの能力は、グレイスペースの利用を可能にし、更なる敏捷性をネットワークに与える。ＳＭの将来のバージョンは、ＮｅｔＯｐｓに対するインターフェイスを備えていてもよい。
【００７０】
ＳＭは、様々なＳＳＭからの感知情報の経過を追い、この情報を使用して、バックアップチャネル構成を予め計算する。バックアップチャネル構成は、周波数と、帯域幅と、送信電力とのタプルとして計算される。ＳＭは、いつでも、３本までのバックアップチャネルを予め計算し、この情報を全てのノードに周期的に送信する。
【００７１】
信号が特定のチャネルにおいて検出されると、ＳＭは、感知アルゴリズムに、信号のタイプを分類して報告を返すように要求することによって、信号を更に調べる能力を有する。この情報に基づいて、ＳＭは、検出された信号が本物であるか否かと、チャネルが動作に利用可能であるかどうかとを決定する。更に、ＳＭは、スペクトル計画の決定を容易にするために、この情報をＮｅｔＯｐｓに送信する能力を有し得る。
【００７２】
ＳＭは、それに登録したＣ＆Ｍの経過を追う。ＳＭは、干渉のために接続が中断したか、又はリンクマージンが不十分であるために接続が中断したかを推論する知能を有する。干渉が原因でリンクがダウンしようとする場合は、リンクが完全に失われる前に、ネットワークを移動するコマンドを発行して、全ての登録されたＣ＆Ｍに、第１の利用可能なバックアップチャネルに移動するように要求する。このような要請が通らず、ＳＭへのリンクが、ある特定の時間よりも長く失われた場合に、Ｃ＆Ｍは、第１のバックアップチャネルに移動するためのローカルな知能を有する。バックアップチャネルが利用可能でない状況では、Ｃ＆Ｍは、ＳＭとの同期を試みるランデブーアルゴリズム（rendezvous algorithm）を開始する。ＡＳＵＲＥシステムの場合のように、ノードのうちの幾つかがローカルセンサを有していない場合に、ランデブーアルゴリズムは複雑になる。その理由は、(ローカルな感知情報がＳＭに供給されないので)計算されたバックアップチャネルが、センサのないノードにとって最適でない場合があるからである。
【００７３】
図１０は、様々なノードからＳＭへの情報融合がどのように行われるかを示すＳＭディスプレイコンソールを示している。ディスプレイは、紺色を使用して、「現在の動作チャネル」を表すことができる。ディスプレイは、水色を使用して、「バックアップチャネル」を表すことができる。ディスプレイは、赤色を使用して、ポリシーによって指定された「許可されない（disallowed）」チャネルを表すことができる。この時に、ユーザによる手入力を使用して、ポリシーブロックが定義されるが、ＡＳＵＲＥの将来のバージョンでは、ＮｅｔＯｐｓの一部分のような上位階層によってこの情報を提供することが構想されている。第３の行は、様々なＳＳＭからの感知情報の融合を示している。薄緑色を使用して、信号が検出されていないチャネルであって、無線機が動作するのに「利用可能な」チャネルを表すことができる。赤色は、幾つかの信号(有利なネットワークの信号又は他の何等かの干渉信号の何れか)が検出されたチャネルを表わすことができるので、それらの使用は「許可されない」。最後の行を紫で表して、チャネルの総電力スペクトル密度(power spectrum density, PSD)を示すことができる。総ＰＳＤは、式１において、次のように定義される。
【数１】
2013523013.tif 000003
【００７４】
なお、Ｘｋは、特定のチャネルに対する捕捉信号のフーリエ変換であり、ｋは、フーリエ係数であり、ｎは、特定のノードから来るＰＳＤ情報を表わす。ＮとＫは、感知能力を有するノードの総数と、フーリエ変換の長さとをそれぞれ表わす。総ＰＳＤは、その特定のチャネルに含まれるノイズと全信号の電力の合計に比例する。特定のチャネルについて、情報を有する信号が検出されない場合に、総ＰＳＤは、特定のチャネルに含まれている干渉とノイズとの合計の測度であることに留意すべきである。シャノン容量は、式２によって定義されることに留意すべきである。
【数２】
2013523013.tif 000004
【００７５】
Ｃは、情報レートであり、Ｓは、信号の電力であり、ＢＷは、帯域幅であり、（Ｉ＋Ｎ）は、合計の干渉とノイズの電力である。全ての「利用可能な」チャネルについて、特徴ベースの感知アルゴリズムに基づいて信号が検出されない場合に、総ＰＳＤは、干渉とノイズの電力に比例する。従って、所定の固定送信電力Ｓに対するキャパシティＣは、最低総ＰＳＤを有するチャネルを選択することによって最大化される。このロジックを使用して、バックアップチャネルに優先順位を付けることができる。
【００７６】
ここで、ＡＳＵＲＥシステム６００のアプリケーションレベルのメッセージングについて説明する。ＡＳＵＲＥシステムに対して、メッセージの拡張ライブラリが定義されている。図１１は、Ｃ＆ＭとＳＭとの間で交換されるメッセージのうちの幾つかを示している。最初にＣ＆ＭがＳＭに登録しようとするときに、登録メッセージ(ＭＳＧ  ＩＤ  ２５７)が、Ｃ＆ＭによってＳＭに送信される。登録に応答して、ＳＭは、登録肯定応答メッセージ(メッセージＩＤ  ２５８)を送る。メッセージＩＤ  ２５８は、Ｃ＆Ｍと、ＳＳＭと、無線機とについての構成情報も含む。
【００７７】
登録が完了すると、Ｃ＆Ｍは、ハートビート（Heartbeat）メッセージ(メッセージＩＤ  ２５９)をＳＭに周期的に送る。ハートビートは、ノードを通る全てのフローについての、チャネルの占有と、総ＰＳＤと、リンクパラメータの情報を含む。ハートビートメッセージに応答して、ＳＭは、ハートビートＡＣＫメッセージ(メッセージＩＤ  ２６０)をＣ＆Ｍに送り出す。メッセージＩＤ  ２６０は、動作とバックアップチャネルの情報を含んでいる。メッセージＩＤ  ２６３は、緊急共存状況メッセージ（Urgent Co-existence Situation message）を表わす。緊急共存状況メッセージは、全てのＣ＆Ｍに、バックアップチャネルへ移動するように命令する。メッセージＩＤ  ２６１と２６２は、緊急リンク更新情報と信号分類情報とをそれぞれ含んでいる。
【００７８】
ＡＳＵＲＥの現場での証明は、通信−電子機器の研究、開発、及びエンジニアリングセンタ(Communications-Electronics Research, Development, and Engineering Center, CERDEC)のフォートディクスの施設で行なわれた。フォートディクスは、次世代の進歩している技術をテストして評価するために、コマンド、制御、通信、コンピュータ、知能、監視、及び偵察の、発展しているプロダクトマネージャ(Product Manager of Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance and Reconnaissance on the move, PM C4ISR OTM)によって、独自にレイアウトされた。ＡＳＵＲＥのデモ（demo）は、ポイントツウマルチポイント(ＰＭＰ)のネットワークトポロジで動作する３つのノードから構成されている。ノードのうちの１つは、ＳＳＭを含んでいない。これは、コグニティブ無線ネットワークにおける全てのノードがスペクトル感知能力を必要とするとは限らないことを証明している。
【００７９】
無線機の動作周波数範囲内の波形であって、情報を有していないある特定の波形を放出するＣＯＴＳのアジレント信号発生器（COTS Agilent signal generator）を使用して、干渉を生成した。更に、別の静止ＷＩＮ−Ｔ  ＬＡＷ無線ネットワークを近くで動作させた。ダイナミックな干渉環境で動作するＡＳＵＲＥネットワークの能力を測定するために、様々なテストが行なわれた。これらのテストは、干渉が検出されたときにチャネルを捨てる時間と、別のチャネルでネットワークを再設定するのにかかる時間と、全てのコグニティブメッセージングによるシステムのオーバーヘッドとをテストすることから成る。これらの測定されるパラメータは、テーブル１に記載されている。
【表１】
2013523013.tif 000005
【００８０】
テーブル１の結果は、現在の非ＤＳＡ軍事用無線機に対してハードウェア又はファームウェアを変更することなく、現在の非ＤＳＡ軍事用無線機を「コグニティブ」にすることが可能であることを示している。更に、テーブルは、全てのノードにおいてセンサを有しているとは限らないにもかかわらず、システムが動作することを示している。アプリケーションレベルのメッセージングにもかかわらず、ネットワーク再設定時間とチャネル放棄時間は、かなり短く、多くのやり方で改善できる。最後に、アプリケーションレベルの追加のコグニティブメッセージングは、システムのスループットに対してあまり不利益を加えない。コグニティブメッセージングのオーバーヘッドとタイミングは、システム中のノードの数と共に線形に増加する可能性が高いが、ある予備調査は、ダイナミックな干渉環境におけるロバストな動作を保証するために取り入れられたメッセージングの重複を無くすことによって、１つのノード当たりのオーバーヘッドをかなり低減できることを示している。
【００８１】
本発明のこの証明は、ＤＳＡを備えていない軍事用無線機を使用して、自律型の高度なスペクトルの敏捷性を取り込むことができる一方で、ダイナミックな干渉環境が存在する場合に、リアルタイムのシステムの接続とリンクの品質とを維持できることを示している。
【００８２】
例示的な方法は、フローチャート及び／又は状態機械図を参照して、より良く理解できる。説明を単純にするために、図示されている方法は、一連のブロックとして示され且つ説明されているが、幾つかのブロックを、示され且つ説明されている順序と異なる順序で、及び／又は、他のブロックと同時に行なうことができるので、この方法は、ブロックの順序によって制限されないことが分かるであろう。更に、例示的な方法を実施するために、図示されているブロックが全て必要とされる訳ではない。ブロックを組み合わせてもよく、又は複数のコンポーネントに分けてもよい。更に、追加及び／又は代わりの方法は、図示されていない追加のブロックを用いることができる。
【００８３】
図１２は、好ましい実施形態の方法１２００であって、非コグニティブ無線機をコグニティブ無線機において変換する方法を示している。方法１２００は、１２０２において、構成及び管理ユニットとアンテナとの間にスペクトルセンサを接続する。スペクトルセンサは、ワイヤレス環境を感知して、利用可能な周波数及び／又は利用可能なチャネルを決定する。方法１２００は、１２０４において、構成及び管理ユニットを非コグニティブ無線機に接続する。構成及び管理ユニットは、利用可能な周波数及び／又は利用可能なチャネルを、遠隔スペクトルマネージャに送信する。遠隔スペクトルマネージャは、ワイヤレスネットワークへのアクセスを管理する。構成及び管理は、ＩＳＯモデルのアプリケーションレベルにおいて遠隔スペクトルマネージャと通信することができる。更に、方法１２００は、国際的な電気電子技術者協会(ＩＥＥＥ)８０２．２２の標準規格に従って、この無線機をコグニティブ無線機として操作することができる。スペクトルセンサと、構成及び管理ユニットは、無線機が非コグニティブ無線機として動作することを可能にする非コグニティブ無線機から取り外し可能である。
【００８４】
上述では、簡潔で、明確で、理解し易くするために、ある特定の用語が使用されている。説明の目的で、且つ広く解釈されることを意図して、このような用語を使用しているので、先行技術の要求を超える不要な制限は含まれていない。従って、本発明は、示され且つ説明されている特定の詳細と、代表的な実施形態と、説明に役立つ例とに制限されない。従って、本出願は、請求項の範囲内の変更と、修正と、バリエーションとを含むことを意図している。
【００８５】
更に、本発明の記載と説明は一例であって、本発明は、示されている又は記載されている詳細そのものに制限されない。「好ましい実施形態」、「実施形態」、「一例」、「例」、等の記載は、このように記載されている１つ（又は複数）の実施形態或いは１つ（又は複数）の例が、特定の特徴、構造、特性、特質、要素、又は制限を含み得るが、全ての実施形態又は例が、その特定の特徴、構造、特性、特質、要素、又は制限を必ずしも含んでいるとは限らないことを示している。更に、「好ましい実施形態では」との表現を繰り返し使用していることは、同じ実施形態を指している場合もあるが、必ずしも同じ実施形態を指しているとは限らない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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