(57)【要約】      （修正有）【課題】コグニテイブ無線で動的に変化するスペクトルに対して双方向および／または螺旋検知を介して最近接チャンネルを走査および探索する方法を提供する。【解決手段】周波数スペクトルの利用可能チャンネル用走査の走査方法の方法は初期チャンネル周波数から離れた双方向探索を含む。この方法はスペクトルの境界に遭遇したときに取るステップを含み、チャンネル予約に関する既存情報を考慮できる。無線装置も記載される。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信局によって使用される無線周波数スペクトルで規定される複数の周波数チャンネルの内の利用可能チャンネルを同定する方法であって、初期周波数から双方向に探索することを含む、方法。
【請求項２】
双方向探索ステップは前記スペクトルで前記初期チャンネルから離れたいずれかの方向で前記初期チャンネルに近接するチャンネルに対するチャンネル有効性を決定し、次に前記初期周波数から離れているより離れたチャンネルの対に対する有効性を検査することを含む、方法。
【請求項３】
それを超えて利用可能チャンネルが規定されない前記周波数スペクトルの境界を同定して、境界初期探索処理を行うことを含む、請求項１又は２に従った方法。
【請求項４】
前記境界初期探索処理は初期周波数をランダムに選択すること、その後、前記ランダムに探索された初期周波数から前記双方向探索ステップを開始することを含む、請求項３に従った方法。
【請求項５】
前記境界初期探索処理は利用可能チャンネルが同定されるまで前記境界から離れて一方向に探索することを含む、請求項３に従った方法。
【請求項６】
前記探索ステップは使用に適さないとして規定される１以上のチャンネルを規定する記憶情報に基づいて行われる、請求項１乃至５のいずれか１項に従った方法。
【請求項７】
無線送信局を同調する方法であって、任意の先行クレームに従って利用可能チャンネルを同定する前記方法と、前記無線総チン局を前記同定利用可能チャンネルに同調することを含む同調方法。
【請求項８】
前記局は前記初期周波数に同調される請求項７に従った方法。
【請求項９】
前記局は周波数に同調されなく、前記同定方法において初期周波数として使用される初期探索周波数を記憶する、請求項７に従った方法。
【請求項１０】
前記新たなチャンネルにチャンネル予約要求を送信するステップを含む、請求項７乃至９のいずれか１項に従った方法。
【請求項１１】
送信局によって用いる無線周波数スペクトルで規定される複数の周波数チャンネルの内の利用可能チャンネルを同定するときに使用するスキャナであって、初期周波数から双方向に探索するスキャナ。
【請求項１２】
請求項１乃至６のいずれか１項に従って探索を行う、請求項１１に従ったスキャナ。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に従ったスキャナ及び前記無線送信局を同定利用可能チャンネルに同調するため前記スキャナによって得られる情報に基づいて動作するチューナを含む、無線送信装置。
【請求項１４】
前記スキャナによって初期周波数として使用されるスタートアップ周波数を記憶する記憶手段を含む、請求項１３に従った装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１０のいずれか１項に従った方法を実施するためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信に使用する利用可能チャンネルスロットのための通信チャンネルをスキャンする方法及び装置に関する。本発明は、排他的でないが特にコグニティブ無線、スペクトル機敏無線（spectrum agile radio）、802.22ＷＲＡＮ及び任意の一般的チャンネル同調無線に採用できる。
【０００２】
本発明は一般的に動的に変化するスペクトルで「最近接開放チャンネル」を同定する探索機構に関する。
【背景技術】
【０００３】
コグニティブ無線、スペクトル機敏無線又は802.22ＷＲＡＮにおいては、スペクトルの部分は一次目的市場によっては規則的又は永久的に使用されていなく、故に、“The Spectrum Framework Review” (OFCOM, Nov 2004: available at www.ofcom.org.uk/consult/condocs/sfr/sfr), “Spectrum Policy Task Force Report” (Technical Report, FCC, ET Docket 02-135, Nov 2004)及び“Facilitating opportunities for flexible, efficient, and reliable spectrum use employing cognitive radio technologies” (FCC, ET Docket 03-108, Dec 2003)に言及されているように二次マーケットによって使用可能である。
【０００４】
コグニティブ無線の内容又は所謂二次市場原理においては、二組のユーザが考えられる。即ち、
一次ユーザ（ＰＵ）−スペクトルの使用権認可ユーザ又はスペクトル帯域にとって最優先を有するように認識されたユーザ、及び
二次ユーザ（ＳＵ）−便乗ユーザ又はＰＵがスペクトルを使用していないときに仮基準のスペクトルをアクセスするコグニティブユーザ。
【０００５】
ＵＳノードは一次ユーザ又は使用権認可ユーザがスペクトルを使用していないときスペクトルをアクセスすることを認められる。これはＰＵの動作が開始されるとＳＵノードがスペクトルの使用を中止することに基づく。分散コグニティブ無線ネットワークにおいては、ＳＵノードを規定する無線が再構成チャンネル切換又は初期送信中に開放チャンネルを見つけるためスペクトルの指定範囲を走査及び探索する。適正な開放チャンネルが見つかると、無線は送信のためこのチャンネルに切換わる。一般的に、無線チャンネル走査及び探索は周波数の増加方向又は周波数の減少方向のいずれかの単一方向に行われ、チャンネルを選択するために事前にプログラムされている（基地局（ＢＳ）によって制御される）。認知率は動作周波数又はチャンネルを効率的に変える能力を有する。汎用グラフ探索双方向アルゴリズムは“Artificial Intelligence: A Modern Approach” (S. Russell, P. Norvig, 2nd Edition, Prentice Hall, 2003), “Unidirectional and Bidirectional Search algorithm” (P. Nelson, , IEEE Software, March 1992)及び“Bidirectional Heuristic Search Reconsidered” (H. Kaindl, G. Kainz, , Journal of Artificial Intelligence Research, pages 283-317, 1997)に説明されている。これらの各々は人工知能（ＡＩ）に使用されるＡ＊探索アルゴリズムを開示している。
【０００６】
読み手はＰＵ及びＳＵユーザ装置間の分割のこの概念を使用するのは従来技術に関して本発明を明確に説明するためであり、この区別が明確に又は暗示的になされないでコグニティブ無線の実際の実施が行われていたことは読み手にとっては言うまでもない。事実、後述するように、ＰＵとＳＵとの区別は請求項記載の発明の実質的な要素ではない。
【０００７】
スペクトルを確実に検知する広範囲はコグニティブ無線ネットワークでの極めて重要な課題である。“Implementation issues in spectrum sensing for cognitive radios” (D. Cabric, S. Mishra and R. W. Brodersen, Asilomer conference on Signals, systems and computers, Nov 2004)及び“Next Generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: A survey” (I. Akyildiz, W. Lee, M. Vuran and S. Mohanty, Elsevier journal of Computer networks, Sep 2006)のようなコグニティブ無線関連文献は整合フィルタ検出、エネルギ検出（放射分析）及び循環静止検出(cyclostationary detection)のような各種チャンネル検知及び検出方法を解析している。
【０００８】
チャンネル検出に関する他の文献：“Collaborative spectrum sensing for opportunistic access in fading environment” (A. Ghasemi, E. Sousa, IEEE DySPAN, Nov 2005) and “Cooperative sensing among cognitive radios” (S. Mishra, A. Sahai and R. Brodersen, IEEE ICC, June 2006)は、どのように共同検知が減衰環境において改良されるかを分析している。
【０００９】
上記文献のどれもチャンネル走査又は探索方法を検討していないがAkyildiz et alはチャンネルを敏速に発見又は選択する重要性及び必要性を強調している。
【００１０】
“A comparison of channel scanning schemes for distributed network formation and reconfiguration” (A.O. Mahajan, A.J. Dadej, K.V. Lever, Springer journal of wireless networks, Jun 1998)はチャンネル走査方式を検討しているが同期走査（総当り）及び非同期走査（ランダム走査）を分析している。
【００１１】
US5613208は、大まかに言えば、セルラー方式でチャンネルを走査する方法を開示している。KR20010058553, KR960004811B及びUS4977611は携帯無線装置でのチャンネル走査の他のアプリケーションを開示している。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様は動的に変化するスペクトルに対して双方向及び／又は螺旋検知を介して最近接開放チャンネルを走査及び探索する機構を提供する。
【００１３】
コグニティブ無線では、広範囲のスペクトルを確実に検知できることが望まれる。双方向探索を適用することによって、探索は周波数で開始していずれかの方向で行われ、送信のための最近接開放チャンネルを見つけるため両方向にチャンネル探索空間を拡張する。開放チャンネルを探索している間に、一般的単一方向走査方法(conventional unidirectional scanning approach)は探索方向から離れた方向に利用できれば利用可能開放チャンネルを見逃してしまうことになる。故に、単一方向又は順次開放チャンネル探索は最近接チャンネルの同定を確定しない。現在のチャンネルに最も近い開放チャンネルを見つけることによって、無線及び送信パラメータ（サンプリング率、ADC,整合フィルタ、アンテナ利得及び感度）は認識中に若干の（ある場合には、最小の）変化を受ける。走査をしながら最近接開放チャンネルを見つけるためには、双方向螺旋探索アルゴリズムが最近接利用可能開放チャンネルの同定を高める。
【００１４】
本発明の他の態様は通常螺旋又は双方向モードでチャンネルを走査する方法を提供する。走査モードは始点から拡張し、各方向に交互に始点から次第に離れて探索すると考えられる。本発明の少なくとも一実施形態の利点はそのような方法が開始又は切換チャンネルから最近接開放チャンネルの同定を確実にすることである。本発明の少なくとも一実施形態の他の利点は、平均して、その方法が以前の技術に最も等しい多数のステップで開放チャンネルを同定することである。
【００１５】
本発明の他の態様は遭遇する境界条件を考慮する走査方式を提供する。一実施形態は螺旋探索を採用し、それから、チャンネルの境界に遭遇すると、境界から離れてジャンプする。このジャンプはランダムであってもよく、又は所定量だけまたは任意の他の手段によって決定された量だけであってもよい。他の実施形態は螺旋探索機構を採用し、それから、境界状態に遭遇すると、境界から離れた方向に一定方向探索を採用してもよい。
【００１６】
本発明の態様は第三者によってチャンネルの一部の予約等のようなチャンネルに関する外部情報に対する反応性を与えられた探索装置に含めてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を図７に示すように無線通信ネットワーク１０により構成される特定の実施形態を参照して説明する。ネットワークは多数の無線通信局２０で構成され、各無線通信局は利用可能スペクトルで規定されるチャンネルに通信できる。チャンネルは周波数によってスペクトルで規定される。故に、周波数に関して互に相対的に高く又は低くなるようにチャンネルを検討できる。
【００１８】
各無線通信局２０は図８に示されるように、既知のタイプのハードウエアで実施される。図８は通信機能を持った汎用コンピュータによって実施されるような無線通信局２０を示している。この場合、通信機能はハードウエアによって得られ、それは言い換えればソフトウエアによって構成される。特に、局２０は作業メモリ３２及びバス３４と通信するプロセッサ３０で構成される。大容量記憶装置（この場合、磁気記憶装置であるが他の記憶装置でも十分である）データ及び／又は即時使用しないプログラムの長期記憶のために設けられる。Medium Access Controller３８は局２０が無線通信媒体にアクセスするためアンテナアレイ４０に接続される。Medium Access Controllerは走査（この明細書の主題）のような機能及び予約のような他の機能を含む通信媒体、即ち利用可能無線スペクトルへの局のアクセス、データアッセンブリー及び通信を管理する。
【００１９】
一般的方法では、局は更に視聴出力装置４４及びユーザ動作可能入力装置４６を更に含む。
【００２０】
走査機能は局２０の一体部分であっても走査機能だけを行う分離要素であってもよいことは言うまでもない。
【００２１】
作業メモリ３２と大容量記憶装置３６との間では、以下に説明するように本発明の特定の実施形態に従って無線スペクトルへのアクセスを行うため局２０は、プロセッサ３０が局２０を構成できる実行可能プログラムを記憶する。
【００２２】
コグニティブユーザ（便宜ユーザ）に利用できるスペクトルは異なる周波数帯域に分割される広帯域スペクトルにより構成される。これら周波数帯域は等しい帯域幅である必要がなく、非連続性の周波数帯域を検知し、取り扱うために、チャンネルは一般的には検出及び検知のため最小解像度の同等サブチャンネルに分割される。各チャンネルは占有特性及びユーザ要求整合を確保し推定するために検出時間Δｔに検知される（図１参照）。図１において、チャンネルＣＨ１はｔ９では空いているとは考えられない。それは占有していない時間が検出時間Δｔより期間において短いためである。
【００２３】
本明細書はパワーレベル又は干渉温度を検知又は検出する特定の方法に限定していなく、故に装置のこの機能の詳細な説明はここでは詳細に記載していないことは言うまでもない。
【００２４】
（コグニティブ）ユーザ局はいずれかの期間に開放チャンネルを探索する。
【００２５】
１．初期割当：ノードが初期送信のための開放チャンネルを探索するとき。
【００２６】
２．チャンネル切換：一次ユーザ又は使用権認可ユーザがチャンネルに到達し、再要求するとき、二次ユーザが他の開放チャンネルを評価し、それに切換えるのを待つ。
【００２７】
図９に示すように、この方法は、初期周波数（ｆｘ）から（ステップＳ１−２）を探索することによって、例えば移動端末でユーザ開始によって、又は端末でプロセス開始によって開始する。ｆｘは初期割当に対する好ましい開始周波数又はチャンネル切換シナリオに対する現在の動作周波数であってもよい。探索は開放チャンネルが同定されるまで（ステップＳ１−４）を継続する。
【００２８】
このチャンネル探索装置は現在の動作又は開始周波数から最近接開放チャンネルを見つけることを意図しており、それにより無線パラメータが再構成中に若干の変化を受ける。新たな開放チャンネルへの切換はそのような環境の下で送信中にオンザフライを行うので、サンプリング率、ＡＤＣ，マッチングフィルタ、アンテナ利得／感度のようなパラメータが必然的に変更されることになる。対応する受信機パラメータ及びアンテナ利得マッチングも変化する。再構成及び無線パラメータ変化は切換チャンネルが近いときに最小であると考えられる。最近接開放チャンネルの探索は提案された双方向螺旋探索機構によって改善される。開放チャンネルが一度同定されると、探索終了及び局２０は新たに同定されたチャンネル（Ｓ１−６）に合わせる。更に、探索が双方向であるから、誤り結果の可能性を減少する両方向のスペクトルが探索される。
【００２９】
チャンネル同定ステップ（Ｓ１−４）と調整ステップ（Ｓ１−６）との間では、技術によって確立される通信ネットワークのために採用されるプロトコルとの整合性を取るための更なるステップを含むことができることを読み手は理解できるであろう。例えば、チャンネル予約要求を送ることができ、又はアクセスプロトコルの幾つかの他の形態を除くことができる。
【００３０】
更に、読み手は、この実施形態では、開放チャンネルを見つけた結果が局を見つけた開放チャンネルに合わせることになるけれどもこれは問題とする必要がないことは読み手には理解されるであろう。むしろ、局は、例えば、開放チャンネルを同定する情報を、例えば将来使用するため、又は統計的記録として記憶することができる。
【００３１】
説明として、開始周波数がｆｘであり、チャンネルの中心周波数がＣｘであるケースが図２に示されている。移動端末は周波数Cx+1, Cx-1, Cx+2, Cx-2等でチャンネルの何れかの側で検知を開始する。このように中心周波数の何れかの側の最近接開放チャンネルが開始又は現在の周波数に最も接近して探索される。これに対して、一方向の単一方向探索は他の方向の最近接開放チャンネルを見過ごしてしまうことになる。
【００３２】
図９に示されるように、上述し、図２に示されるような探索処理は利用可能又は許容スペクトルの境界に遭遇すると中断されことになる。探索のこの中断は境界の認識によってステップＳ２−２で開始する副処理を指している太い矢印によって示されている。どれから、ステップＳ２−４において、境界処理が初期化され、そのような２つの例が以下に説明する。境界処理は開放チャンネルの同定のために関係する特定の実施形態に従って新たな探索を開始する。境界の初期化が完了したら、処理は開放チャンネルが同定されたかどうかを調べるステップに戻る。
【００３３】
図３を参照すると、この実施形態に従った第１探索方式が示されている。この螺旋双方向探索機構においては、１つの座標が許可されたスペクトルの境界に到達すれば、探索は同定されたエッジから離れる方向に（ステップＳ２−４の）単一方向探索に切換わり、探索が継続する。これは螺旋＋単一探索とする。
【００３４】
図４を参照して、この実施形態に従った第２探索方式を説明する。この場合、境界に到達すると、境界処理が、同定境界から離れる方向にランダムジャンプを行い、螺旋／双方向探索を継続することによって開始され（ステップ２−４）。これは螺旋＋ランダム探索とする。他の可能な実施形態が予想できるが本発明の前述のランダムジャンプの実施形態が例示されていることは読み手が注目するであろう。
【００３５】
スペクトルのチャンネル占有は不規則であり、探索が現在収束されているスペクトルの部分が密集して占有していると、そのとき、現在探索された部分からある考えられる距離のスペクトルの部分に切り換えることが有用な選択肢である。これは相対的に近い開放チャンネルを見つけるための要求の緩和を含むことは言うまでもない。螺旋＋ランダム探索方式は現在探索された領域が充実した結果を生成しないシナリオに使用できる。
【００３６】
図３及び４を参照すると、走査／探索は第三者によって占有され又は予約されるように探索の開始前に同定されたチャンネルをスキップできる。そのような情報は例えば（図９に示されるように）外部情報源によって提供される。これら外部情報源は調整器、又はスペクトル又はチャンネルのそのような部分を同定する予約情報を提供する共同隣接装置からのポリシーメッセージ含めてもよい。そのようなメッセージは信頼性を評価するために必要となるかもしれず、そのようなチャンネルは図示のように螺旋探索作用中にスキップできる。
【００３７】
探索を行う装置の要求にマッチする開放チャンネルが見つかると探索は終了する。このとき、装置は同定チャンネルをアクセスするため既知のタイプの初期プロトコルに従う。
【００３８】
単方向探索では、スキャナは増加又は減少方向のいずれかで次第に探索することになる。スキャナが最近接開放チャンネルを探索するとき、単一方向探索機構は最近接／最接近チャンネルを確保しない。単一チャンネル探索では、開放チャンネルが単一方向探索の反対方向に存在する可能性があり、このとき、これが見過ごされる可能性がある。これに対して、双方向螺旋チャンネル探索機構を用いる上述した実施形態は最近接開放チャンネルが同定され、それによって無線パラメータの変更、故に装置の無線措置の再構成を減じることができる。
【００３９】
双方向走査において、探索空間は仮想的に分割され、交互にいずれかの方向で探索できる。時間及び空間複雑性はＯ（ｎ）であり、これは単一方向探索と同じであるが、双方向探索によるものであり、螺旋―双方向方法はより近い開放チャンネルを、平均して、単一方向探索より早く、特に密集不規則占有シナリオで見つける利点を有する。
【００４０】
より広いスペクトル空間を探索し、ランダムに分布するスペクトル占有において最近接開放チャンネルを見つけることを考えると、この螺旋双方向走査が複雑性を妥協しないで正確に目的を達成する。
【００４１】
双方向探索を採用することによって、探索は所定の周波数で開始していずれかの方向で行われ、チャンネル探索空間を拡張し、送信用の最近接開放チャンネルを見つける。
【００４２】
双方向螺旋機構及びその変形方式は任意の一般的無線又は切り換えようとする又は最近接開放チャンネルを探索する再構成可能無線に使用できる。現在使用可能な多重帯域率はＢＳによって制御される。しかし、本発明はそのような配置に限定されるように読み手によって考えられるべきでなく、分布多重帯域無線システムに適用できる。最近接開放チャンネルを探索する作用は双方向螺旋走査の上述した原理を使用できる。
【００４３】
これを強調するために、シミュレーションが完了しており、以下に説明する。シミュレーションは幾つかの走査装置の性能の比較を行った。図５は開始チャンネルからのチャンネルずれを示している。螺旋＋単一方式は最小ずれを確保し、単一方向走査を確実により効率的に行う。性能は高く占有されたスペクトルシナリオにとってよりよくなる。
【００４４】
図６は開放チャンネルを見つけるために取られる平均ステップ数を示す。この例での螺旋装置は最近接開放チャンネルを確保し、スペクトル占有に関係なく平均して、他の装置と比較して漸近数のステップを確保する。等価数のステップで、螺旋−双方向走査装置がダイナミックスペクトルで最近接開放チャンネルを確保する。
【００４５】
本発明は特定実施形態の上記説明及びその使用によって例示してきたが、上記のことは、添付請求の範囲に規定されている、本発明の範囲に限定として読み手によって考えられるべきでない。
【００４６】
本発明はハードウエア又はソフトウエアによって実施できる。後者の場合、本発明は、光学ディスク又は電子大容量記憶装置のようなコンピュータ読み取り可能記憶媒体の形態であるコンピュータプログラム製品、又は無線又は物理的接続を介してネットワーキング装置によって送られるダウンロード要求に応答して受信される信号のようなコンピュータ読み取り可能信号によって提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】周波数スペクトルで規定されるチャンネルの例を示す図である。
【図２】本発明の特定の実施形態に従ったチャンネル探索方法を示す図である。
【図３】図２に示される実施形態に従った第１探索方式を示す図である。
【図４】図２に示す実施形態に従った第２探索方式を示す図である。
【図５】特定実施形態の性能を決定するために行われるシミュレーションの結果を概略的に示す。
【図６】特定実施形態の性能を決定するために行われるシミュレーションの他の結果を概略的に示す。
【図７】本発明の前記特定の実施形態に従った無線通信ネットワークの概略図を示す。
【図８】図７に示すネットワークの無線通信局の概略図を示す。
【図９】図８に示す無線通信局のアクセスコントローラの動作のフローチャート図を示す。
【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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【外国語明細書】
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