(57)【要約】  孤立したユーザ１によるネットワーク２への無線アクセスは、ネットワーク２にアクセスできるノードのグループ３、４および９に含まれるノードで干渉を作り出すことを目的とする無線信号を、孤立したユーザ１が送信することを含む。グループの１つのメンバによって干渉が検出され、孤立したユーザ１とグループのメンバとの間にリンクが確立されると、孤立したユーザ１のためにネットワーク２へのアクセスができる。１つの方法では、孤立したユーザは免許を受けておらず、無線スペクトルの免許を受けた部分を介してネットワークへのアクセスを得ようとする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
孤立したユーザによるネットワークへの無線アクセスの方法であって、孤立したユーザが、未知のノードで干渉を作り出すことを目的とする無線信号を送信するステップと、このような干渉が未知のノードによって検出されると、孤立したユーザに対してネットワークへのアクセスができるステップとを含む、方法。
【請求項２】
段階的に高くなる送信強度で信号を送信するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
２つ以上の未知のノードが干渉を検出する場合、ネットワークへのリンクを選択するためのネゴシエーション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４】
干渉を検出する未知のノードが、ネットワークを介して孤立したユーザの受信容量の共有アクセスを調整する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
信号が、変調方式の情報を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
信号が、孤立したユーザにはどの多元接続方式が利用できるかを明らかにする情報を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ネットワークへの第１の一時的なリンクを確立し、続いて孤立したユーザの要求を一時的なリンクよりも厳密に満たすネットワークへのリンクを確立するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
孤立したユーザが一連の信号を送信し、一連に含まれる信号の間でリスニングモードになって、送信された信号への応答をリスンするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
孤立したユーザと未知のノードとが共に、未知のノードによって干渉が検出された後に定義されるネットワークを定義する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
２つ以上の未知のノードが干渉を検出するとき、ネットワークは孤立したユーザと、複数の未知のノードとを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、孤立したユーザによるネットワークへの無線アクセスの方法およびシステムに関し、詳細には、ただし限定ではなく、免許のないユーザによる無線周波スペクトルの免許を受けた部分への便宜的アクセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線スペクトルの多くは、政府機関によって免許を受けるか、あるいは別の方法で特定のサービスまたはユーザに割り当てられる。したがって、スペクトルの割り当てられた部分は、すでに占有されているので他のものには利用できない。しかしながら実際には、割り当てられた帯域は免許を受けたサービスによって常に十分に使用されているというわけではないため、多くの場合利用できる容量がある。
【０００３】
通信装置に何らかの知能を含み、使用中のおよび使用されていない通信チャネルを識別し、次に占有されていないチャネルをそれに応じて通信セッション用に選択できるようにすることによって、無線スペクトルをより有効に使用することが提案されてきた。これは、優先すべきである免許を受けた使用を妨げない限り、免許を受けていないユーザが、占有されていない免許を受けたチャネルを使用できるように適用される場合は、特に有益である可能性がある。この種の取り組みは、バークレー大学のＢｒｏｄｅｒｓｅｎ他による、ホワイトペーパー「ＣＯＲＶＵＳ：Ａ  Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ  Ｒａｄｉｏ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｕｓａｇｅ  ｏｆ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｕｎｌｉｃｅｎｓｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ」、２００４年７月２９日に記載されている。通信装置に知能を使用する考え方は、「コグニティブ無線」として知られている。コグニティブ無線の１つの定義は、Ｊｏｓｅｐｈ  Ｍｉｔｏｌａによって、次のように行われた：「コグニティブ無線という用語は、無線の携帯情報端末（ＰＤＡ）および関連するネットワークが、無線資源および関連するコンピュータ間通信に関して十分にコンピュータ的に知的であって：（ａ）使用の状況に応じてユーザの通信の必要性を検出する、および（ｂ）これらの必要性に最も適した無線資源および無線サービスを提供する点と特定する」。
【０００４】
コグニティブ無線環境においてユーザがネットワークにアクセスを希望する場合、ユーザの存在を知らせるメカニズムがなければならない。１つの提案されているユーザ発見の方法は、地理的領域にわたって広範なカバレージを与える、セルラ無線アクセスネットワークなど、既存のアンダーレイネットワークのインフラを使用することを提唱する。ユーザは、例えば別のネットワークへの接続を可能にするローカルノードを識別して、これへのアクセスを行うことができるように、アンダーレイネットワークによって情報を検索する。例えば、セルラネットワークのプロバイダによって提供される集中データベースは、インターネットプロトコル（ＩＰ）メッセージングでアクセスされることが可能である。この提案は、既存のレガシーインフラを有効に活用するが、このような解決法は、スペクトル的に最も有効であって費用効率が良い長期的な解決法ではない。
【０００５】
別の方法では、グローバルに保有される無線帯域が、ユーザ発見のプロトコルのコンジットとして利用できるようにされることが提案されている。プロトコルとグローバルな無線帯域の組合せは、新しいユーザが発見されることを可能にする。しかしながら、ユーザ発見のための無線周波スペクトルの指定は、本質的に効率が悪い。これには、帯域幅が空間的にも、時間的にもグローバルに指定されることが必要となる。またこれは、周波数帯域の指定に関して国際的な同意に至るために、スペクトルの規制機関が必要になる。さらにこれは、全世界的に定義された無線帯域をサポートするために、モデムのアーキテクチャに不必要な要件を追加することになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ホワイトペーパー「ＣＯＲＶＵＳ：Ａ  Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ  Ｒａｄｉｏ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｆｏｒ  Ｕｓａｇｅ  ｏｆ  Ｖｉｒｔｕａｌ  Ｕｎｌｉｃｅｎｓｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ」、２００４年７月２９日、Ｂｒｏｄｅｒｓｅｎ他、バークレー大学
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、孤立したユーザによるネットワークへの無線アクセスの方法は、孤立したユーザが未知のノードで干渉を作り出すことを目的とする無線信号を送信することを含む。この干渉が未知のノードによって検出されると、孤立したユーザに対してネットワークへのアクセスができる。ネットワークは、インターネット、または例えばセンサネットワークなど他の何らかのネットワークとすることができる。ノードは、例えばローカルエリアネットワークの中のネットワーク構成要素、または例えばモバイルユーザの端末である可能性がある。
【０００８】
本発明による方法では、未知のノードは、ノードのグループのメンバ、すなわちネットワークにアクセスできるグループの少なくとも１つのメンバとすることができる。ネットワークにアクセスできるノードのグループは、ただ１つのノードを含む場合がある。あるいはこれは、相互に接続されることが可能である複数のノードを含む場合もある。
【０００９】
本発明による別の方法では、孤立したノードと未知のノードとが共に、干渉が未知のノードによって検出された後に定義されるネットワークを定義する。
【００１０】
本発明による１つの方法では、孤立したユーザの発見が行われ、ユーザはその後ネットワークへのアクセスを求めることができる。この方法は、孤立したユーザが、無線周波スペクトルの免許を受けた部分への便宜的アクセスをうまく利用することを望む免許を受けていないユーザである場合に特に適しているが、孤立したユーザと利用できるスペクトルのいずれかまたは両方の免許の状態が重要ではない他の環境で使用されることも可能である。孤立したユーザはノードの存在に気づいておらず、特定のノードに信号を送信しないので、信号がそこで干渉を作り出すことを目的とされるノードは、未知と呼ばれる。
【００１１】
この方法は、既存の通信または他のノードの位置についての事前の知識がない場合に孤立したユーザの発見を可能にする。孤立したユーザは、本明細書では孤立したノードとも呼ばれるが、その存在を他のノードに通知する信号を送信する。他のノードが通信している場合、署名送信は干渉を引き起こし、他のノードに孤立したノードまたはユーザの存在を通知することができる。干渉は、現在の通信セッションには含まれていないがリスニングモードであるノードによって検出されることが可能である。
【００１２】
孤立したユーザの発見を実行するには、周波数要件または送信電力に関する情報を送信する必要がないということがわかった。未知のノードが干渉を検出して、孤立したユーザが検出できる応答を送信する場合、暗黙的に、通信が可能になる適切な周波数帯域が使用されている。したがって、単に通信を始めるためだけの特定の受信および送信の無線回路を実装する必要がない。これは、例えばセンサネットワークなど、コストに対して非常に敏感である応用については特に重要である。同様に、送信レベルは、未知のノードが認識するほど十分に高い場合にのみ、孤立したユーザは、干渉信号への応答を受信することになる。したがって、送信電力は、例えば標準で定める必要がない。
【００１３】
信号は、徐々に高くなる送信強度で送信されることが可能である。ゆえに、孤立したユーザにより低電力で送信された信号では範囲外となるため、ノードにユーザが発見されない場合は、ノードから応答が受信されるまで、信号は徐々に高いレベルで再送信されることが可能である。この技術は、より低い信号電力でユーザの存在を検出できる適切なノードがある場合、他のノードでの信号による干渉を減少させる。信号は、一連の信号送信または連続信号とすることができる。
【００１４】
孤立したユーザは、本発明による方法を使用してユーザを発見する前は、他のいかなるユーザまたはノードにも接続されていない場合がある。しかしながら、あるいは孤立したユーザは、別のユーザもしくはノード、またはそのうちのいくつかと相互に接続されている可能性があるが、本発明による方法を使用してユーザが発見される前にはネットワークへのアクセス手段がない場合は、やはり孤立したユーザと定義される。孤立したユーザは、干渉することを目的とする信号を送信することができるいかなる装置とすることもできる。例えば孤立したユーザは、モバイルユーザの端末、またはローカルネットワークの一部に含まれる固定要素とすることができる。
【００１５】
未知のノードが干渉を検出すると、ネットワークへの第１の一時的なリンクが確立されることが可能であり、続いて孤立したユーザの要求を一時的なリンクよりも厳密に満たす、ネットワークへの別のリンクが確立される。したがって、一時的なリンクは、ある所望の特性を有する別のリンクの確立を容易にするために使用されることが可能である。孤立したユーザの目的、例えばネットワークへの強力な接続を保証するために、ネットワークへのいくつかの接続経路が望まれる場合、孤立したユーザといくつかのノードとの間に同時に複数のリンクが設けられることが可能である。
【００１６】
本発明による１つの方法では、孤立したユーザは、その送信帯域の様々な周波数帯域で信号を送信する。孤立したユーザは繰り返してその送信帯域を通過し、狭帯域信号を送信することがある。孤立したユーザは、送信と並行して、または一連の送信信号と交互に、ノードからの応答をリスンすることができる。このような応答が受信されると、孤立したユーザと応答中のノードとの間にリンクが確立され、孤立したユーザに対してネットワークへのアクセスを容易にする。
【００１７】
本発明による別の方法では、信号は指向性である。方向は、固定されるまたは操縦されることが可能である。指向性信号は、空間的干渉を局部に制限し、孤立したユーザが特定の空間的場所のノードとリンクを確立することを望む場合、有効である可能性がある。
【００１８】
本発明による方法は、電力の変形物、周波数の変形物、および信号方向の変形物のうちの２つ以上の組合せを含むことができる。
【００１９】
孤立したユーザによって送信された信号は、孤立したユーザの受信機の特性に関する情報を含むことができ、未知のノードが干渉を検出すると、未知のノードは孤立したユーザに応答できるように、信号に含まれる受信機の特性の情報、干渉の発生時間、およびその周波数帯域を確認する。信号は、孤立したユーザに関する識別子を含むことができる。
【００２０】
例えば孤立したユーザとの通信が、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ、または他の何らかの方式を使用して行われることが求められる場合、信号は、変調方式の情報を含むことができる。
【００２１】
信号は、孤立したユーザにはどの多元接続方式が利用できるかを明らかにする情報を含むことができる。例えば孤立したユーザは、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ、ＦＤＭＡ技術もしくは他の何らかの適切な実装のうちの１つまたは複数を使用して通信することができる場合がある。
【００２２】
本発明による別の方法では、変調方式および多元接続方式のタイプのうち少なくとも１つが、この方法を実施するシステムに適用できる標準で定められる。さらにこの情報は、送信信号に含まれることも可能である。
【００２３】
本発明による方法では、未知のノードにより干渉が検出されると、未知のノードは、第２の未知のノードに孤立したユーザに応答するように求める。未知のノードは、ノードのグループの接続されたメンバである場合がある。その後、孤立したユーザと第２の未知のノードとの間にリンクが確立されて、ネットワークへのアクセスを容易にする。
【００２４】
例えば接続されたノードの同じグループまたは異なるグループにおいて、２つ以上の未知のノードが、信号によってもたらされた干渉を検出する場合、孤立したユーザに対してネットワークへのリンクを選択するために、ネゴシエーションが実行されることがある。ネゴシエーションは、孤立したユーザの要件および／またはノードもしくはノードが属するグループの要件を考慮に入れることができる。干渉を検出する未知のノードは、ネットワークを介して孤立したユーザの受信容量の共有アクセスを調整することができる。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、通信システムは、接続されたノードの複数のグループを含み、各グループの少なくとも１つのメンバが共通ネットワークに接続している。各グループの少なくとも１つのメンバが、ネットワークへのアクセスを求める孤立したユーザによって送信された信号から発生する干渉を検出するための、また孤立したユーザとネットワークとの間にリンクを確立できるように、孤立したユーザの特性を検出するための検出器を含む。
【００２６】
次に本発明によるいくつかの方法および実施形態を、単に一例として、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による通信システムを概略的に示す図である。
【図２】重なっている受信帯域および送信帯域に関する説明図である。
【図３】図１に示す通信システムにおける信号送信に関する説明図である。
【図４】図１に示す通信システムの動作に関するさらなる説明図である。
【図５】図１に示す通信システムの動作に関連する別の説明図である。
【図６Ａ】本発明による別の通信システムを概略的に示す図である。
【図６Ｂ】本発明による別の通信システムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１を参照すると、孤立したユーザ、すなわち孤立したノード１は、２で表されるインターネットにアクセスする必要があるが、これにアクセスできない。さらに、孤立したノード１には、他のいかなる既存のノード、または接続されたノードのグループについても事前の知識がなく、また孤立したノードが必要とされるアクセスを取得しようとして他のノードと交信することができるグローバルな通信チャネルがない。
【００２９】
ユーザは、集中して通信グループすなわち「バブル」になる傾向がある。バブルがインターネット（ＩＰ）「クラウド」へアクセスできる場合、バブルは共有データベースを介してその存在を知らせる。共有データベースは、ハンドオーバのための探査、バブル間のパワー制御フィードバック、およびチャネル使用のネゴシエーションの際に助けとなるなど、低速の目的のために使用される。バブルにＩＰクラウドへのアクセスがない場合、その存在は、他のユーザには不明であり、「非公表」と呼ぶ。図１に示すシステムでは、孤立したユーザ１の他に、各々がそれぞれ複数の相互に接続されたノード５および６を含む２つの公表されたバブル３および４と、複数の相互に接続されたユーザすなわちノード８を含む１つの非公表のバブル７と、ただ１人のユーザ１０を含む公表バブル９とがある。
【００３０】
ユーザの発見を推進するために、孤立したユーザ１は故意に信号を送信して、信号の範囲内にあるいかなるバブルでも干渉を発生し、そうしてその存在をバブルに含まれる未知のノードに知らせようとする。孤立したノード１によってサポートされる送信帯域は、暗黙的に、その帯域でリスンしているノードだけに通知する。一例として図２は、２つのノードＡおよびＢに属する無線周波数の通信チャネルの調整を示している。送信ＴＸ帯域および受信ＲＸ帯域の重なり部分は、双方向の通信を可能にする。受信周波数および送信周波数の重なり部分が存在しない場合、二重通信は可能ではない。したがって、孤立したユーザ１が通信できないノードにおける干渉は回避され、干渉を受けるノードは暗黙的に、応答でどの周波数帯域を使用すべきかがわかる。
【００３１】
孤立したユーザ１は、繰り返して送信帯域を通過し、図３に例示するように異なる周波数ｆ１からｆｎで狭帯域信号を送信する。送信信号は、ノードにより送信されるいかなる応答にも求められる変調方式および符号化方式に関する情報など、孤立したユーザ１の受信機の特性を含む。送信と並行して、孤立したユーザ１は、未知のノードが孤立したユーザの存在に気づいたことを示す応答に関して、その受信経路をリスンする。
【００３２】
さらに、孤立したユーザ１による送信帯域の各通過は、図４に例示するように、最大送信電力に到達するまで前の送信電力よりも高い送信電力となる。中央の点は、孤立したノード１を表し、同心円１１は、送信された信号を受信することができる境界を表し、各円は特定の電力レベルを表している。バブルの１つにある通知された未知のノードが適時に応答する場合、このように送信電力を増やすことは、結果として空間的に局部化した干渉とする。
【００３３】
さらに、図５に示すように空間的干渉は、送信信号１２を全方向ではなく特定の方向に向ける可動型アンテナ技術を用いても集中される。信号が送信される方向は、別の形態の暗黙の選択をもたらす。例えば、孤立したユーザ１は、特定の空間的位置にある未知のノードとリンクを確立することを望んでいるセンサノードである場合がある。方向は固定される場合があり、あるいは矢印が示すように、円を描いて移動するようにされる場合がある。
【００３４】
バブルは、通信中のバブルの中のユーザの１人または複数が孤立したユーザの存在を検出するとき、孤立したユーザを「ヒアリングする（ｈｅａｒｉｎｇ）」と表現することも可能である。検出は、例えばノードの受信チャネルの中に周期的なスパイクを検出することによって行われることが可能である。
【００３５】
図１に示す例では、孤立したユーザ１が前述のように信号を送信し、１つのグループ４の中のノード６’および６’’、グループ３の中のノード５’、およびグループ７の中のノード８’が、信号によって作り出された干渉を検出する。ノード８’は、非公表であり、ネットワーク２に接続されていないため、孤立したユーザ１に応答しない。
【００３６】
ノード６’は、孤立したユーザ１の存在を検出し、ノード６’に接続されネットワーク２とより直接的な接続を有するノード６’’に情報を送信する。ノード６’’は、次に孤立したユーザ１に応答を送信し、孤立したユーザ１がこの応答を受信すると、これらの間に第１のリンクが確立される。さらにノード５’も、孤立したユーザ１と第２のリンクを確立する。ノード６’’は、免許を受けたユーザであり、ネットワーク２と通信するとき、無線スペクトルの免許を受けた部分を使用することができる。
【００３７】
最初のリンクは、孤立したユーザ１とノード５’および６’’との間で無線機能およびサービス要件を交換できるようにする。ノード５’および６’’は、ＩＰクラウド２を介して孤立したユーザ１の干渉帯域の共有アクセスを調整する。計算の複雑性の低い無線インタフェースの物理層と一体となった標準プロトコルは、例えばＢＰＳＫ変調を用いる畳込みＦＥＣなど、最初の通信リンクを形成する。この低ビットレートの二重リンクは、孤立したユーザ１の無線機能を伝えるために、またノード５’および６’’がサービスのオファーに応じるために使用される。
【００３８】
ビッド−オファープロセスの次の段階は、孤立したユーザ１がビッド−オファー手順を用いて最初のリンクに取って代わるより適切な通信リンクを確立することである。オファーを受諾すると、孤立したユーザ１は、受け入れたノードが属する公表バブルの完全なメンバとなる。次に、孤立したユーザ１は、バブルの他のメンバの物理層のパラメータおよび媒体アクセス制御に適合して、他のメンバと完全な通信リンクを確立する。
【００３９】
単信方式の無線の場合には、リスンと送信を同時に行うことができない。これを考慮に入れて、孤立したノードの送信と受信とは、明確な方法で時間インタリーブされる。干渉の投入が成功すると、通知されたノードは、発生時間、発生の周波数帯域、および受信した信号の中身から孤立したノードのＲＸ機能がわかる。この情報およびインタリーブパタンを説明する明確なプロトコルを用いて、通知されたノードは、孤立したノードが各周波数帯域でいつリスンするかを計算することができる。通知されたノードは、次にその応答をスケジュールすることができる。
【００４０】
図６Ａを参照すると、孤立したノード１３は、その範囲内に他のノードがあること、またそれと共にどれが接続可能であるかを確認してネットワークを定義するために、無線信号を送信する。信号は、送信されると、未知のノード１４、１５、および１６に検出される。この実施形態では、十分に大きなネットワークを構築するために、孤立したノード１３といくつかの未知のノードとの間の相互接続が必要とされる。図６Ｂに示すように孤立したノード１３と未知のノード１４、１５、および１６との間のリンクの確立に続いて、孤立したノードは、それによって作り出されたネットワーク１７にアクセスすることができる。その後他のノード１８および１９が、未知のノードで干渉を発生することを目的とする信号を発して、独自にネットワーク１７に加わることができる
本発明は、その趣旨または本質的な特徴を逸脱することなく、他の特定の形態で具現化され、他の方法で実施されることが可能である。記載した実施形態および方法は、あらゆる点で例示であって、限定ではないと考えられなければならない。したがって本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の均等物の意味および範囲内で生じるあらゆる変更は、特許請求の範囲の内に含まれなければならない。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2010505345.tif 000009
【国際調査報告】
2010505345.tif 000010
2010505345.tif 000011