(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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）。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１４７０７９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０６６６２号公報
【特許文献３】特許第４８０６６６０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】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＞
【非特許文献２】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＞
【非特許文献３】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る無線通信システムの構成図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【数１】
0005787455.tif 000002
【００２２】
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。
【数２】
0005787455.tif 000003
【数３】
0005787455.tif 000004
【数４】
0005787455.tif 000005
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。
【数５】
0005787455.tif 000006
【数６】
0005787455.tif 000007
【数７】
0005787455.tif 000008
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。
【００２３】
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。
【数８】
0005787455.tif 000009
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。
【数９】
0005787455.tif 000010
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。
【数１０】
0005787455.tif 000011
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。
【数１１】
0005787455.tif 000012
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。
【数１２】
0005787455.tif 000013
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。
【数１３】
0005787455.tif 000014
【数１４】
0005787455.tif 000015
数式１４がＭＳＮアダプティブアレーの最適ウェイトである。
【００２４】
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。
【数１５】
0005787455.tif 000016
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【実施例１】
【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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。
【図１】
0005787455.tif 000017
【図２】
0005787455.tif 000018
【図３】
0005787455.tif 000019
【図４】
0005787455.tif 000020