(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＴＥユビキタスネットワークにおけるクラスタベースの協調スペクトルセンシングおよび中継のための技術を提供する。【解決手段】すべてのコグニティブユーザが異なるクラスタへ形成され、分散クラスタ形成アルゴリズムに基づいて各クラスタ内でクラスタヘッド（ＣＨ）が決定する。各ＣＨは、クラスタ内のコグニティブユーザによって測定された報告チャネルのエネルギーを収集し、プライマリユーザがネットワークスペクトルの要求された範囲に不在であるかどうかの局所的な決定を行う。ＨｅＮＢはＣＨにより報告された局所的決定を集約し、送信機会が存在するか否かを判定する。プライマリユーザが不在である場合にはセカンダリユーザ即ちコグニティブユーザは空きスペクトルの利用が許可される。さらに、プライマリユーザのチャネル利得に基づきＨｅＮＢは協調中継によってＰＵの性能を向上させるためコグニティブＵＥをリレーノードとして選択する。【選択図】図１
2015192404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コグニティブ無線システムに基づくＬＴＥユビキタスネットワークにおいて協調スペクトルセンシングおよび中継を行う方法であって、
すべてのコグニティブＵＥのクラスタを形成し、クラスタごとのクラスタヘッドを決定するステップと、
前記クラスタ内の各コグニティブＵＥ機器が、前記コグニティブＵＥからプライマリＵＥまでの通信チャネルのエネルギーを測定するステップと、
前記クラスタ内の前記コグニティブＵＥの各々によって測定された前記エネルギーの関数を表す信号を受け取るステップと、
前記クラスタ内の前記コグニティブＵＥの各々から受け取られた前記信号に基づき、前記クラスタヘッド機器が、前記プライマリＵＥがネットワークスペクトルの指定部分に存在するかどうか決定するステップと、
共通の受信側（フェムトセル／ＨｅＮＢ）が各クラスタヘッド機器から、前記クラスタヘッド機器が行った決定を表す信号を受け取るステップと、
前記クラスタヘッド決定の前記信号に基づき、前記共通の受信側が、前記プライマリＵＥが前記ネットワークスペクトルの前記指定部分に存在するか否か判定するステップと、
前記コグニティブＵＥの各々から受け取られたチャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づき、前記共通の受信側が、プライマリＵＥの通信性能を向上させるために協調中継の決定を行うステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記共通の受信側が判定する前記ステップは、融合関数に従って最終決定を行うステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記共通の受信側が、前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号を復号するステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
最適なコグニティブＵＥを決定する前記ステップは、最大瞬間報告チャネル利得を有するコグニティブＵＥを協調リレーノードとして選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記共通の受信側が、前記プライマリＵＥが前記ネットワークスペクトルの前記指定部分に存在するかどうか判定する前記ステップは、前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて融合関数を実行するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて前記融合関数を実行する前記ステップは、協調スペクトルセンシングのための決定融合（ＤＦ）関数を実行するステップを含み、クラスタ内の各コグニティブＵＥは、前記各コグニティブＵＥのエネルギーを定義済みの閾値と比較することによって２分決定を行ってクラスタヘッドに報告し、前記クラスタヘッド機器は、前記クラスタ内のすべての２分決定にＯＲを適用することによって局所的決定を行う、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて前記融合関数を実行するステップは、エネルギー融合（ＥＦ）関数を実行するステップを含み、前記クラスタヘッド機器は、前記クラスタ内のすべてのコグニティブユーザ機器によって測定された前記エネルギーを収集し、前記エネルギーを閾値と比較することによって前記決定を行う、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記コグニティブユーザ機器が、前記プライマリユーザ機器から報告チャネルの瞬間チャネル状態情報（ＣＳＩ）を受け取るステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記共通の受信側（ＨｅＮＢ）が各コグニティブＵＥのチャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づいて前記協調リレーノードを決定する、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
コグニティブ無線システムに基づくＬＴＥユビキタスネットワークにおいて協調スペクトルセンシングおよび中継を行う装置であって、
すべてのコグニティブＵＥのクラスタを形成し、クラスタごとのクラスタヘッドを決定する手段と、
前記クラスタ内の各コグニティブＵＥ機器が、前記コグニティブＵＥからプライマリＵＥまでの通信チャネルのエネルギーを測定する手段と、
前記クラスタ内の前記コグニティブＵＥの各々によって測定された前記エネルギーの関数を表す信号を受け取る手段と、
前記クラスタ内の前記コグニティブＵＥの各々から受け取られた前記信号に基づき、前記クラスタヘッド機器が、前記プライマリＵＥがネットワークスペクトルの指定部分に存在するかどうか決定する手段と、
共通の受信側（フェムトセル／ＨｅＮＢ）が各クラスタヘッド機器から、前記クラスタヘッド機器が行った決定を表す信号を受け取る手段と、
前記クラスタヘッド決定の前記信号に基づき、前記共通の受信側が、前記プライマリＵＥが前記ネットワークスペクトルの前記指定部分に存在するか否か判定する手段と、
前記コグニティブＵＥの各々から受け取られたチャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づき、前記共通の受信側が、プライマリＵＥの通信性能を向上させるために協調中継の決定を行う手段と
を含むことを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記共通の受信側が判定する前記手段は、融合関数に従って最終決定を行う手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記共通の受信側が、前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号を復号する手段
をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
最適なコグニティブＵＥを決定する前記手段は、最大瞬間報告チャネル利得を有するコグニティブＵＥを協調リレーノードとして選択する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記共通の受信側が、前記プライマリＵＥが前記ネットワークスペクトルの前記指定部分に存在するかどうか判定する前記手段は、前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて融合関数を実行する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて前記融合関数を実行する前記手段は、協調スペクトルセンシングのための決定融合（ＤＦ）関数を実行する手段を含み、クラスタ内の各コグニティブＵＥは、前記各コグニティブＵＥのエネルギーを定義済みの閾値と比較することによって２分決定を行ってクラスタヘッドに報告し、前記クラスタヘッド機器は、前記クラスタ内のすべての２分決定にＯＲを適用することによって局所的決定を行うことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記クラスタヘッド機器の前記決定を表す前記信号に基づいて前記融合関数を実行する手段は、エネルギー融合（ＥＦ）関数を実行する手段を含み、前記クラスタヘッド機器は、前記クラスタ内のすべてのコグニティブユーザ機器によって測定された前記エネルギーを収集し、前記エネルギーを閾値と比較することによって前記決定を行うことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記コグニティブユーザ機器が、前記プライマリユーザ機器から報告チャネルの瞬間チャネル状態情報（ＣＳＩ）を受け取る手段
をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１８】
前記共通の受信側（ＨｅＮＢ）が各コグニティブＵＥのチャネル状態情報（ＣＳＩ）に基づいて前記協調リレーノードを決定することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的、に無線移動体通信に関し、より詳細には、ＬＴＥ  ＨｅＮＢネットワークにおいて、クラスタベースの協調スペクトルをセンシングし、そして、中継するためのシステムである装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信の指数関数的な成長と共に、無線通信ネットワーク上で搬送される大容量の音声およびデータの扱うための新しい技法が必要とされている。第３世代パートナーシップ・プロジェクト（３ＧＰＰ）ロング・ターム・エボリューション（ＬＴＥ）（以下「ＬＴＥ」と呼ぶ）は、増加するトラフィックという課題に対処するための有望なネットワークの提案である。
【０００３】
ＬＴＥは、そのユーザには妥当な接続性を提供しながらも、可能な最高のデータ転送速度と性能を提供するユビキタスネットワークを構想している。しかし、改良されたＬＴＥ（ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ）のために提案された幅広なスペクトルは、ネットワークのあらゆる場所で、継続的に高スループットを維持する際において、多くの課題の一因となっている。
【０００４】
中継は、リレーノード（ＲＮ）が建物の壁へのより高い電力の転送とより優れた浸透性を提供することから、より密集した大都市環境のための解決策と考えられてきた技法の１である。これとは別に、中継は、また、特に、ＬＴＥ基地局、ｅノードＢ（ｅＮＢ）を備える有線バックホールにとって地理的に不適当な領域のためには面倒のかからない配備である。
【０００５】
コグニティブ無線（ＣＲ）技術は、セカンダリユーザ（ＳＵ）が、プライマリユーザ（ＰＵ）（免許を受けたユーザ（ＬＵ）ともいう）に混じって共存するための扉を開いた。このコグニティブ無線（ＣＲ）は、通信システムが、その環境と共にその内部状態を認知しており、そして、その情報と定義された目的に基づいてシステムがその無線動作の挙動に関する決定を行っているであろう種類の無線であると考えられる。ＣＲユーザは、既存のユーザに対して干渉を生じないときに、免許されたスペクトル帯域を利用することができる。ＣＲユーザがプライマリユーザに対して干渉を生ぜずに送信することができる時間を、スペクトル機会と呼ぶ。明らかなように、スペクトルを感知してスペクトル機会を検出する能力は、ＣＲ性能にとって極めて重要であり、そして、重要な研究の主題ともなっている。
【０００６】
ＣＲの基本概念とは、セカンダリユーザともいう無許可のＣＲユーザに、許可を受けたユーザに対して干渉を生じない限りにおいて、許可されたスペクトル帯域（許可された周波数帯域ともいう）を使用させることである。したがって、ＣＲユーザは、プライマリユーザによって使用されていないスペクトル帯域を識別し、使用することができなければならない。実際には、ＣＲユーザが利用可能なスペクトル帯域は、時間および場所と共に変動しうる。
【０００７】
また、以下の特許文献１においては、コグニティブ基地局がセンシング処理部を有し、空き周波数を探知するものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−４９６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の従来技術に鑑みて達成されたものであり、上述した従来技術における課題を解消した、即ち、改良されたＬＴＥユビキタスネットワークにおけるクラスタベースの協調スペクトルセンシングと中継のためのシステムである装置及び方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下の詳細な説明および添付の図面における例示的で非限定的な実施形態の様々な側面についての基本的で全般的な理解を可能にするため、簡単な概要を記載する。
【００１１】
例示的で非限定的な実施形態では、ＬＴＥＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢネットワークにおけるコグニティブ無線システムのためのクラスタベースの協調スペクトルのセンシング方法及びそのための装置が提供される。コグニティブユーザのクラスタごとに、クラスタヘッドが決定される。各クラスタヘッドは、クラスタ内のコグニティブユーザによって測定された報告用チャネルのエネルギーを収集し、所定のスペクトルから、プライマリユーザが不在であるかどうか決定する。次いで、ホームｅノードＢは、クラスタヘッドによって行われたクラスタレベルの決定を集約し、クラスタレベルの決定の融合関数に基づいて、プライマリユーザが不在であるかどうかのすべてのクラスタに及ぶ決定を行う。プライマリ（許可された）ユーザが不在である場合には、セカンダリ（無許可の）ユーザはスペクトルを利用してもよい。他の実施形態を以下に述べる。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明によれば、従来技術における課題を解消した、改良されたＬＴＥユビキタスネットワークにおけるクラスタベースの協調スペクトルセンシングと中継のためのシステムである装置及び方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明のクラスタベースの協調スペクトルセンシング及び中継についての様々な実施形態について、添付の図面を参照しながら更に説明するが、各図は以下の通り。
【００１４】
【図１】ＬＴＥ  ＨｅＮＢのためのクラスタベースの協調スペクトルセンシングおよび中継の一態様におけるネットワークモデルの図である。
【図２】ＣＲユーザ（コグニティブＵＥ）がＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢカバレージ区域に入る際の協調コグニティブ中継の例示的ブロック図である。
【図３】クラスタベースの協調スペクトルセンシングおよび中継方法を示すハイレベルのブロック図である。
【図４（ａ）】コグニティブＵＥおよびプライマリユーザ（プライマリＵＥ）から見た協調スペクトルアクセスおよび中継の動作の流れ図である。
【図４（ｂ）】クラスタ形成のための動作の流れ図である。
【図５（ａ）】Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢから見た協調スペクトルアクセスの動作の流れ図である。
【図５（ｂ）】Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢから見た協調リレーノードの選択のための動作の流れ図である。
【図６】Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢに基づく例示的ネットワーク環境を表すブロック図である。
【図７】コグニティブ無線機能を示す例示的ブロック図である。
【図８】記載される様々な実施形態のための、データおよびサービスの伝送に適したＬＴＥコアネットワーク環境の概観を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜概観＞
改良されたＬＴＥ（ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ）は、スループットおよびカバレージを改善するための多様なセルトポロジ層につながる。マクロセル、マイクロセル、そして、最近ではフェムトセルが、ネットワーク内で共存しなければならない。ＬＴＥネットワークのためのＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢ（ＨｅＮＢ）が、住宅やオフィスといったローカル・ネットワーク・カバレージを向上させるために、モバイル・サービス・プロバイダによってエンドユーザに提供されている。ＨｅＮＢの配備は協調されたものとはなっておらず、ユーザ自身の住宅またはオフィスのためにユーザによって出資のほとんどは、Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイントのようなものに対してである。そのため、サービスに加入するユーザは、明らかに、ユーザ自身のＨｅＮＢについての排他的アクセスを要求することになる。即ち、限られた数のプライマリ（許可された）ユーザ（プライマリＵＥ）が、加入者によって選択されるこれらＨｅＮＢの使用が許される。図２に示すように、リレーノード、例えばＨｅＮＢやフェムトセルなどは、タイプＩとタイプＩＩとに分けることができる。タイプＩＩリレーは、ユーザ端末（ＵＥ）が、特に、セル端において、より良好な性能を提供できるよう、ｅＮＢカバレージの外部に配備される。他方、タイプＩリレーは、ｅＮＢカバレージ内で、より良いサービス品質（ＱｏＳ）およびリンク容量を提供する。リレーノードは、単に、変調信号を受信し、再送するのではなく、むしろ、雑音を増幅することなく、ローカルＵＥに送信する前に、信号を復号して再符号化する役割を果たす。ＲＮ機能は、本発明の重要な特徴である自己管理及びコグニティブな特徴の導入により、さらに拡張することができる。
【００１６】
ここで、プライマリＵＥの全てが使用中でない場合には、かかるスペクトルの無駄が、ある特定のＨｅＮＢにおいて生じることが予見される。他のユーザも、また、その瞬間には、その急な使用によりプライマリユーザと干渉するため、空きスペクトルを占有することはできない。即ち、かかるシナリオにおける問題を軽減するため、クラスタベースの協調センシングおよび中継において、図１および図２に示すように、ＣＲセカンダリユーザ（コグニティブＵＥ）概念を用いることができることが提案される。
【００１７】
この概念は、プライマリＵＥがスペクトルの占有において最高の優先権を有し、コグニティブＵＥは便宜主義的（opportunistic）な方法で占有することが許されるにすぎないことを表す。同様に、対応するＨｅＮＢを占有するに際しての優先権を有する選択された専用のユーザは、プライマリユーザ（ＰＵ）とみなされ、一方、他のユーザはセカンダリユーザ（ＳＵ）として働く。ＣＲ技術を採用することによって、ＣＲという特徴（コグニティブＵＥ）を備えたユーザは、今や、ＨｅＮＢにアクセスすることができるようになる。さらに、ＣＲユーザは、協調中継によってＰＵの性能を向上させることもできるはずである。図２に基づき、ＨｅＮＢとＰＵとの間の直接のチャネルリンク（ρ２）が弱いというシナリオでは、ＣＲユーザ（ＣＵ）は、データをＰＵ（ρ３）に対して協調的に中継することになる。このことが、プライマリリンク条件の最悪な場合におけるＰＵのデータ転送速度を達成可能な最大値に増加することになる。
【００１８】
背景技術で述べたように、コグニティブな無線システムでは、セカンダリユーザは、協調スペクトルセンシングを行うようにコーディネートされ、もって、プライマリユーザをより正確に検出することができる。しかしながら、センシングの観測が、消失するチャネルを介して、共通の受信側（ＨｅＮＢ）に送られたときには、センシング性能は極度に低下しうる。様々な非限定的な実施形態によれば、クラスタベースの協調スペクトルセンシングおよび中継方法が、コグニティブなユーザについての全般的センシング性能を改善するために提供されている。
【００１９】
セカンダリユーザを幾つかのクラスタに分け、各クラスタ内で、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢに報告するのに最も好適なユーザを選択することによれば、クラスタベースの協調スペクトルセンシング方法は、ユーザ選択の多様性を活用してセンシング性能を向上させる。実施形態では、それだけに限られないが、決定融合、および、エネルギー融合の技法の使用を含んでいる。
【００２０】
ここに記載された様々な実施形態によれば、報告用チャネル、すなわち、コグニティブなユーザとＨｅＮＢとの間のチャネルは、レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）減衰（フェーディング）を経験するものと想定される。上述した状況に対し、クラスタベースの協調スペクトルセンシング方法が、センシング性能を改善するために提供される。クラスタ化のステップは、分散クラスタ化アルゴリズムによって実行されてもよい。
【００２１】
それから、最も好適なユーザである、即ち、クラスタヘッド（ＣＨ）が指定される。クラスタヘッドは、同じクラスタ内の他の全てのユーザからのセンシングの結果を収集し、そして、その結果をＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢに転送するために、最大の報告チャネル利得が得られるように選択される。かかる選択技法を用いることによって、減衰するチャネルに起因する報告の誤りが低減される。さらに、決定融合とエネルギー融合の両方が適用可能である。
【００２２】
図１は、その中でクラスタベースの協調スペクトルセンシングおよび中継が動作している全体構成を示すネットワークモデルの図である。前述のように、コグニティブ無線スペクトルセンシングの目標は、関連するスペクトル上でのプライマリＵＥ１０３の存在を検出することである。プライマリＵＥ１０３が存在しない場合、他の無許可されたセカンダリユーザは、許可を受けたプライマリユーザ１０３に害を与える、即ち、そのスペクトルの使用に干渉することなく、スペクトルを利用することができる。
【００２３】
プライマリＵＥ１０３のエネルギーの検知に先だって、コグニティブＵＥは、一群のクラスタ−１およびクラスタ−２へとクラスタ化される（図３の３０２）。次いで、各クラスタ内で、クラスタヘッド（ＣＨ）１０５が、クラスタの各ノードプライマリＵＥ１０３のエネルギーを局所的に観測した結果を送信する先であるクラスタ内の最適ノードとして、選択される。各クラスタのＣＨ（１０５）は、クラスタ内の局所的な観測結果を収集し、決定する。ＣＨは、それから、その決定を、ＨｅＮＢ１０１に報告し、ＨｅＮＢ１０１は、次に、存在するＰＵの数が存在するスペクトルホール（空きスペクトル）の数より少ない場合には、スペクトルへのアクセスを許可する（図３の３０３）。
【００２４】
＜コグニティブＵＥのクラスタ形成およびクラスタヘッド選択＞
隠されたノードの問題、深い減衰（フェーディング）、シャドーイングといった様々な要因が、コグニティブ無線ネットワークにおけるコグニティブＵＥのセンシング性能を悪化させる。この問題を克服するために、コグニティブＵＥは協働し、または協調してスペクトルセンシングならびに中継を行うことができる。従来、協調スペクトルセンシングは、共通の受信器によってコーディネートされていた。共通の受信器から承認を受け取った後で、すべてのコグニティブなユーザは個別にスペクトルセンシングを開始し、次いで、それらの観測結果を共通の受信側器、すなわち、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢに転送する。
【００２５】
ＵＥから見た協調スペクトルへのアクセスおよび中継動作の流れが図４（ａ）に示されている。本発明では、動作ラウンドを２つの相に、すなわち、セットアップの相と定常状態の相とに分ける。セットアップの相では、各コグニティブＵＥは、現段階でのクラスタヘッド（ＣＨ）になるべきか否か決定する。ＣＨになるという決定は、ＣＨの以前のパーセンテージおよび当該ＵＥがこれまでＣＨになった回数に依存する。クラスタが形成された後で、各ＣＨは、そのクラスタ内でのメンバとなるＵＥを指定する。
【００２６】
図４（ｂ）に、分散アルゴリズムに基づくクラスタ形成の流れ図を表す。スペクトルを共用する見地から見たＵＥモビリティの管理を簡素化するために、動的クラスタ化およびクラスタヘッド位置の循環が検討された。各時点におけるクラスタおよびＣＨの最適数をｋｏｐｔと仮定する。ここで、ｋｏｐｔは、以下の式［存在するクラスタ化プロトコルと呼ぶ］を使用して計算することができる。
【００２７】
【数１】
2015192404.tif 000003
ここで、Ｎは、存在するコグニティブＵＥの数である。各ノードは、確率ｐｏｐｔでクラスタヘッドになることができ、そして、あらゆるノードは１／ｐｏｐｔラウンド毎に１回、クラスタヘッドになるはずである。この提案全体を通して、この時点の回数、１／ｐｏｐｔを、クラスタ化されたセンサネットワークの期間（エポック）と呼び、ここでは、以下の式で表わされる。
【００２８】
【数２】
2015192404.tif 000004
現時点でクラスタヘッドとなるべく選択されたコグニティブＵＥは、同じ期間（エポック）内では、もはやクラスタヘッドとなることはできない。非選択のＣＲＵＥは、集合Ｇに属し、そして、各時点で安定した数のクラスタヘッドを維持する目的で、ノード∈Ｇがクラスタヘッドになる確率が、同じ期間（エポック）内の各時点を経過するごとに増加する。決定は、各時点の最初に、各ノードｎ∈Ｇにより、個別に、０か又は１の無作為な数を選択することによって行われる。無作為な数がノードｎの閾値、Ｔ（ｎ）未満である場合には、センサノードは、現時点でのクラスタヘッドになる。閾値Ｔ（ｎ）は以下のように設定される。
【００２９】
【数３】
2015192404.tif 000005
ここで、ｒは、（ラウンド０から開始する）現在の時点の回数である。ノード∈Ｇのクラスタヘッドになる選択の確率は、同じエポック内での各時点の時点ごとに増加し、エポックの最後の時点では１に等しくなる。
【００３０】
その後、定常状態のフェーズに入り、そこでは、各コグニティブＵＥはプライマリＵＥ（１０３）のチャネル利得の感知を開始してその関連するＣＨ（１０５）に報告し、最終的には、すべてのＣＨ（１０５）が、局所的な決定をＨｅＮＢに送る。各動作の時点には、一定量の時間が割り当てられる。制限時間に達した後、ＣＲネットワークは、再クラスタ化及び再構成をすることによって、他の時点に入る。即ち、動的なクラスタ化およびクラスタヘッド位置循環の適用により、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢによるＵＥモビリティの管理が可能になる。
【００３１】
＜協調スペクトルセンシング＞
図１では、クラスタ−１は、例えば、４つのコグニティブ無線Ｃ１ＣＲ１、Ｃ１ＣＲ２、Ｃ１ＣＲ３、およびＣ１ＣＲ４を有し、クラスタ−２は、例えば、５つのコグニティブ無線、Ｃ２ＣＲ１、Ｃ２ＣＲ２、Ｃ２ＣＲ３、Ｃ２ＣＲ４、およびＣ２ＣＲ５を有する。γ１１からγ１３は、プライマリＵＥ１０３からクラスタ−１への平均チャネル利得を表し、以下の平均利得は、ＣＨ−１（Ｃ１ＣＲ２、１０５）からホームｅノードＢ１０１への平均チャネル利得を表す。
【００３２】
【数４】
2015192404.tif 000006
同様に、γ２１からγ２４は、プライマリＵＥ１０３からクラスタ−２への平均チャネル利得を表し、以下の平均利得は、ＣＨ−２（Ｃ２ＣＲ１、１０２）からＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢ１０１への平均チャネル利得を表す。
【００３３】
【数５】
2015192404.tif 000007
前述のように、クラスタ−１とクラスタ−２のためのクラスタヘッドＣＨ１とクラスタヘッドＣＨ２は、それぞれのクラスタのコグニティブＵＥのための協調的なセンシング情報の収集と報告を行う。ＣＨ−１およびＣＨ−２は、まず、それぞれ、γ１１からγ１３およびγ２１からγ２４を収集し、それから、局所的な観測結果を集約し、そして最後に、上記数４及び数５で表わす平均利得を局所的な観測データと共に配布する。その後に、協調スペクトルセンシングが、以下のステップによって実行されることとなろう。
【００３４】
クラスタｉ内のあらゆるコグニティブＵＥｊがエネルギーＯｉ，ｊを収集し、そして、クラスタヘッド（１０２／１０５）に局所的な観測結果Ｇｉ，ｊを送り、ここで、Ｇｉ，ｊは関数ΩによってＯｉ，ｊに関連付けられている。
【００３５】
【数６】
2015192404.tif 000008
ここで、Ｋはクラスタの数であり、Ｎｉは第ｉのクラスタ内のコグニティブＵＥの数である。
【００３６】
クラスタヘッドは、同じクラスタ内のそれらの局所的な観測結果を受け取り、次いで、幾つかの融合関数φに従って、クラスタ決定Ｂｉを、以下のように行う。
【００３７】
【数７】
2015192404.tif 000009
すべてのｉについてのクラスタ決定Ｂｉが共通の受信器に報告され、次いで、最後の決定Ｈが、融合関数ψに従って、以下のように行われる。
【００３８】
【数８】
2015192404.tif 000010
ここで、以下の記号は（復号後の）Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢで取り出された信号（１または０）である。
【００３９】
【数９】
2015192404.tif 000011
【００４０】
プライマリユーザに対する干渉を回避するため、コグニティブユーザは、図４（ａ）の４０６にも示すように、すべての報告された決定が図１のプライマリユーザ１０３が不在であることを示すときに、スペクトルへのアクセスが許可される。そうでない場合には、プライマリユーザ１０３が存在すると想定される。
【００４１】
即ち、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢ１０１では、ＯＲ−ｒｕｌｅが、以下のように適用される。
【００４２】
【数１０】
2015192404.tif 000012
【００４３】
図５（ａ）に、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢから見た協調スペクトルのアクセスを表す。Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢは、式７におけるＨの組み合わせの決定に基づいて、そのスペクトル範囲上に存在するプライマリＵＥの数をカウントする（図５（ａ）の５０３）。Ｈのカウントの数が１に設定されていることは、プライマリＵＥの存在を示し、そうでない場合には、プライマリＵＥが不在であると判定する。Ｈ：１カウントの数が、存在するスペクトルホール（空きスペクトル）のすべての数より小さい場合には、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢは、セカンダリユーザ（コグニティブＵＥ）のアクセスを許可し（５０４）、そうでない場合には、セカンダリユーザのアクセスを妨げる（５０５）。所定の期間の後に、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢは、データ収集のフェーズに入り、そして、決定のフェーズを再実行し、即ち、新しいコグニティブＵＥまたはプライマリＵＥがＨｏｍｅ  ｅＮｏｄｅのカバレージ区域に入り、又は、出る条件を管理する。
【００４４】
＜協調中継およびＵＥモビリティ管理＞
図５（ｂ）に、Ｈｏｍｅ  ｅＮｏｄｅＢから見た協調リレーノードの選択およびＵＥモビリティの管理のための流れ図を表す。前述のように、ＨｅＮＢは、式７の組み合わせクラスタ決定に基づいてプライマリＵＥの有無に関する決定を行う。いずれのＣＨも、平均チャネル利得についての局所的な決定、即ち、各非ＣＨコグニティブＵＥγ１１…γ１３またはγ２１…γ２４からの局所的な観測結果を含む上記数４及び数５の平均利得を、ＨｅＮＢに報告している。即ち、ＨｅＮＢは、報告されたプライマリＵＥのチャネル利得に基づいて、協調中継（５１０）の必要性に関する決定を行うことができ、そして、適切な協調リレーノードを選択することもできる。
【００４５】
プライマリＵＥのチャネル利得が所定の閾値より大きい場合には、ＨｅＮＢはプライマリＵＥへの直通のリンクを提供し、そうでない場合は、協調中継選択方法を実行する（５１４）。異なるクラスタヘッドからの報告チャネル利得に基づき、ＨｅＮＢは、コグニティブＵＥを協調リレーノードとして、以下のように選択することができる。
【００４６】
＜アルゴリズム＞
入力：各コグニティブＵＥによるプライマリＵＥのチャネル利得、γ１１…γ１３またはγ２１…γ２４
出力：コグニティブＵＥを協調リレーノードとして選択
方法：
１．報告されたＣＨデータからγ１１…γ１３およびγ２１…γ２４を探す。
２．式（７）および図５（ａ）に従って、プライマリＵＥの数ｐを探す。
３．プライマリＵＥのチャネル利得＞所与の閾値の場合には、直通のリンクを提供する（図５（ｂ）の５１５）。
４．プライマリＵＥのチャネル利得＜所与の閾値の場合には、各プライマリＵＥのチャネル利得を昇順にソートする（図５（ｂ）の５１１、５１２、５１３）。
５．対応するプライマリＵＥに対して最も高いチャネル利得を提供したコグニティブＵＥを、協調リレーとして選択する（γｍａｘ１…γｍａｘ２）。
６．所定のタイムスタンプの後、再度、センシング（検出）フェーズに入り、ステップ１〜ステップ５を実行する（５１６）。
【００４７】
＜例示的ネットワーク接続分散環境＞
図６は、ホームｅノードＢがＨｅＮＢゲートウェイを超えてコアネットワークと接続するＬＴＥコアネットワーク環境の例示的ブロック図である。図６の底部には、協調センシングおよび中継を行うための、クラスタベースのアーキテクチャを提示する。即ち、このアーキテクチャは、ＨｅＮＢ性能を向上させ、そして、スペクトルの無駄を低減する。改良されたＬＴＥ（ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ）の主要な技術をから概観すると、協調そしてＣＲ技術は、２つの主要な角度から実施しうるものと推測することができる。ＣＲは、改良されたＬＴＥ（ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ）・ネットワーク・トポロジ内でのインテリジェント協調を、主に、２つのやり方、（１）特にセル端における効率を高める、同じトポロジ層内でのノードの協調、そして、（２）層間干渉（例えば、マクロセルとマイクロセルとフェムトセルとの間）を低減させる、異なるトポロジ層内でのノードの協調、により可能にする。セルフオーガナイジングネットワーク（ＳＯＮ）は、ネットワーク内での協調が全般的なシステム性能に有利に働く例の１つである。自己設定、自己最適化および自己修復を含むＳＯＮは、ＣＲ自己Ｘを、図６の底部に示したＬＴＥ  ＨｅＮＢネットワークに適用する一手法である。
【００４８】
＜コグニティブ無線システムのための補足的コンテキスト＞
図７は、コグニティブ無線（ＣＲ）技術の基本な機能ブロックを説明する。特に、再構成が可能な無線とは異なり、ＣＲノードは、様々な他の構成要素を有している。センシングブロックとポリシーブロックは、スペクトルの可用（有用）性を決定する際に広く使用される。これらのブロックは、また、学習および推論機能を作動させるのにも役立つ。
【００４９】
学習および決定ブロックは、ファジィ論理またはニューラルネットワークと共に実装されてもよい。センシングブロックおよびポリシーブロックからの入力に加えての決定データベースは、学習を推し進める。その帰結として、無線は、通信スタックの異なる層、ならびに、環境からの入力に基づいて、構成されることになる。さらに、ＩＥＥＥ１９００．１ＷＧの見解では、文献で使用される「コグニティブ無線」という用語は、一般には、「コグニティブ無線システム」を意味する。これは、（後に承認された）ＩＴＵ−Ｒ  Ｓｔｕｄｙ  Ｇｒｏｕｐ  ８，Ｗｏｒｋｉｎｇ  Ｐａｒｔｙ  ８ＡへのＣＲに関する最初に起草された研究問題へのＩＥＥＥ１９００．１からの寄稿にも反映されている。事実、ＩＥＥＥ１９００．１は、認知（ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）、気付き（ａｗａｒｅｎｅｓｓ）、適応性（ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ）などは、無線の範囲外であるという上記見解を認めている。この側面は、追加語である「システム」によって強調されている。
ｉ．気付き（Ａｗａｒｅｎｅｓｓ）：その環境上で情報を感知し、共用することができる能力。
ｉｉ．調整性（Ａｄｊｕｓｔａｂｉｌｉｔｙ）：事前に指定された目的に従ってシステムパラメータを調整することによって、環境に応答する能力（変調方式（スキーム）、周波数、スケジューリングなど）。
ｉｉｉ．自動（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ）：マンインザループ（人間の介在）なしに、独立に、かつ、自律的に働く。
ｉｖ．適応性（Ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ）：傾向を学習し、傾向に適応し、しかるべき時（内に）作業効率を高める。
【００５０】
＜例示的ＬＴＥコアネットワークおよび環境＞
前述の最適化アルゴリズムおよびプロセスは任意の無線ネットワークに適用されてよいが、以下の説明は、ＬＴＥコアネットワークといった電話技術無線ネットワークの例示である。
【００５１】
図８には、そこに本発明が組み込まれであろうネットワークアーキテクチャであると考えられるＬＴＥコアネットワーク環境の概観を図示する。Ｅ−ＵＴＲＡＮアーキテクチャの中心部分は、ユーザプレーン（平面）にエア（無線）インターフェースを、そして、ＵＥに向けての制御プレーンのプロトコル終端を提供する、エンハンスドＮｏｄｅＢ（ｅＮｏｄｅＢ又はｅＮＢ）である。ｅＮＢの各々は、１つもしくは複数のＥ−ＵＴＲＡＮセルにサービスする論理コンポーネントであり、ｅＮＢを相互接続するインターフェースをＸ２インターフェースという（図８の８００）。加えて、ホームｅＮＢ（ＨｅＮＢ、フェムトセルともいう）は、屋内でのカバレージを改善のための低コストのｅＮＢであり、直接、エボルブド・パケット・コア（ＥＰＣ）に、又は、多数のＨｅＮＢのための追加サポートを提供するゲートウェイを介して、エボルブド・パケット・コア（ＥＰＣ）に接続することができる（図８の８０１）。すべてのｅＮＢおよびＨｅＮＢは、Ｓ１インターフェースを介してコアネットワーク（ＭＭＥ／ＳＧＷ／ＨｅＮＢ  ＧＷ）と接続される。さらに、３ＧＰＰは、検討中のリレーノードであり、ネットワーク性能の向上のための洗練された中継戦略（ｒｅｌａｙｉｎｇ  ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ）である。この新しい技術の目標は、カバレージの拡大、より高いデータ転送速度、より良いＱｏＳ性能および異なるユーザに対しする公平性である。
【００５２】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５３】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。更には、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０１…ホームｅノードＢ（ＨｅＮＢ）、１０２…クラスタヘッド（ＣＨ）、１０３…プライマリユーザ（ＵＥ）、１０５…クラスタヘッド（ＣＨ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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