JP5349669B2 - 無線通信方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、コグニティブ無線ネットワークにおいて通信チャネルにアクセスする方法及び装置に関する。

従来、通信周波数スペクトルへのアクセスは規制及び制限の対象であった。これは、技術的及び法的な様々な理由によるものであり、特に、ある無線通信が別の無線通信に干渉するという形態を回避する必要性によるものである。スペクトルへのアクセスに高い需要が無く、異なる通信用途のためにスペクトルの「区間」を細かくすることに技術的な制限があった過去において、規制は比較的厳格であった。近年、この規制はいくぶん緩和された。

通信スペクトルの自由化に関するポリシーが種々の機関、特に合衆国連邦通信委員会（ＦＣＣ）によって策定された（非特許文献１参照）。

スペクトル規制の自由化、融通性のあるスペクトルポリシーの導入及びコグニティブ無線の出現に伴い、スペクトルの（免許を持つ）プライマリユーザーと（無免許の）コグニティブなセカンダリユーザーによる効率的なスペクトル利用のコーポラティブセンシング及びコラボレーションに関する様々な提案がなされた。これの例は、非特許文献２乃至４から理解される。

背景として、コグニティブ無線とは、特定周波数スペクトルの免許を持つユーザーに干渉せずに有効な通信を確立するために、分散方式のネットワーク又は特に無線ノードのいずれかが、送信又は受信の特性を管理するパラメータを変化させることができる、という無線通信技術の分野である。このパラメータの変更は、無線周波数スペクトル、ユーザー挙動及びネットワーク状態から作られる条件のような外部及び内部無線環境のいくつかの要素のアクティブなモニタリングに基づくことができる。

非特許文献５乃至７で述べられる通り、コグニティブ無線、スペクトルアジャイル無線、又は８０２．２２ＷＲＡＮにおいて、スペクトルの不連続部分は、「流通市場機構(secondary market mechanism)」によって管理されるものと規定されている。

特に、いわゆる流通市場機構に関連するコグニティブ無線のコンテキストにおいて、２つのユーザーグループが考えられる。すなわち、
プライマリユーザー（ＰＵ）−スペクトルの免許を持つユーザー、又は当該スペクトル帯域について高優先順位を持つものと認められたユーザー、及び
セカンダリユーザー（ＳＵ）−オポーチュニスティックなユーザー、又はＰＵがスペクトルを利用していない場合、一時的にスペクトルにアクセスする「コグニティブな」ユーザーである。

ＰＵユーザー装置とＳＵユーザー装置との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の実施形態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得ることを理解されたい。事実、後述するように、ＰＵとＳＵとの区別は、クレームされた発明に不可欠な要点ではない。

使用可能なスペクトルのチャネルにセカンダリユーザーを導入するために現在採用される基本のアプローチは、プライマリに干渉せずに、利用可能スペクトルをオポーチュニスティックに用いることである。免許を持つプライマリのユーザー（ＰＵ）が使用していないときには、セカンダリユーザー（ＳＵノード）は当該スペクトルを使用し又はアクセスすることを許されるが、ＰＵが到達するとすぐに退出すべきである。ダイナミックな状況において、すべてのチャネルは、干渉によるチャネル劣化又はプライマリユーザーの到着による呼終了に影響され得る。したがって、ＳＵノードは、周期的に使用スペクトルを監視し、伝送に利用可能な空きチャネルを捜す。

プライマリユーザーが必要とするチャネルが空になるとすぐに、セカンダリユーザーはこの次の空きチャネルをスキャンし、通信を再開するために当該空きチャネルに切り替える。あるいは、英国特許出願ＧＢ２４４９２２４Ａに記載されるように、あらかじめ特定された緊急退避経路を使用してもよい。このアプローチにおいて、通信を行いたいセカンダリノードは、空きチャネルをオポーチュニスティックに用いる。該ノードは、利用可能な複数の空きチャネルからいずれかのチャネルを選ぶことができる。

実際のスキャン処理がどのように実現されるかについて述べた様々な提案がある。そのような例が（非特許文献８乃至１０）に記載されている。

何らかの特定の実装に用いられるスキャン機構を選択することは、この開示の範囲外である。

スキャン処理は、分散方式又は集中化方式によって実行することができる。インフラストラクチャーベースのセカンダリネットワークでは、通常、アクセスポイント／コントローラーがスキャン処理を実行する。対照的に、アドホックネットワークでは、スキャンは分散方式で実行され、ＳＵノードがＰＵを感知すると、それぞれが個別に空のスペクトルをスキャンして通信を終了する。すべてのノード上でスキャン処理を個々に実行することは、電池残量の累積的な消費が、集中化アプローチの場合よりも高くなる結果となる。最終結果として、スペクトルリソースを効率的に使用することができないかもしれない。また、個別のスキャン及び通信の終了が、進行中の通信の混乱を招くかもしれない。

様々な標準化団体がオポーチュニスティックなスペクトルアクセスに注目しており、この分野を導いている。規格策定開示の最も良く確立されているソースは、ＩＥＥＥによる一連の８０２ネットワーク標準規格である。

８０２．１１ｈ： このＩＥＥＥ８０２．１１（ＴＭ）修正条項は、欧州における５ＧＨｚ帯動作の規定要件を満たすために用いられる送信電力制御（ＴＰＣ）及びダイナミック周波数選択（ＤＦＳ）の機構を提供する、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）規格に対する拡張を規定する。この改訂で規定されたＤＦＳの機構は、インフラストラクチャーベースのネットワーク単独向のためのものである。

８０２．２２ＷＧ：８０２．２２は、割当てられたテレビ周波数スペクトルのホワイトスペース（まだ用いられないチャネル）を利用するワイヤレスリージョナルエリアネットワーク（ＷＲＡＮ）構築のための規格確立に向けて努力しているＩＥＥＥ８０２ＬＡＮ／ＭＡＮ規格委員会の新規のワーキンググループである。スペクトルの使用は、伝送を行っているあらゆるＴＶチャンネルに干渉しないように、オポーチュニスティックな方法になるであろう。

特許文献１には、複数のシステム又はチャネルによって通信し、パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）リンクのような短距離リンクによって通信する複数の通信装置を含む通信ネットワークについて記載されている。チャネルへのアクセスを管理するために、各装置は、あらかじめ記憶されたスキャンリスト及びコーポラティブスキャンを用いる。コーポラティブスキャンは、短距離リンクを通じてバッテリ消費を削減し、又は性能を向上させるために、複数装置間でスキャンリストを仕切ることを含んでいる。

米国特許出願ＵＳ２００８／００３９１０５Ａ１は、複数装置ネットワークにおいて通信のチャネルを決定することに関する。セカンダリ通信システムの動作中に、複数のローカライズされたノードによってセルが形成され、保護されるか回避されなければならないセル周波数内の他のノードにアラートを行う。セル内のすべてのノードは、すべての利用可能な周波数の種々のサブセットを監視し、受け入れ可能な周波数及び保護された周波数に関する情報を低消費電力の短距離通信を通じて互いに共有する。各ノードは、通信に利用可能なチャネルのリストを作り、単一のノードを選んで、コントローラーにこの情報を伝える。

特許文献２には、８０２．１１ｈに準拠したネットワークの動作チャネルの管理について記載されている。単一のアクセスポイントに実装される場合、干渉が最小となるようにネットワークがチャネル上で動作するようシステムは動作チャネルを自律的に調整する。キャンパス又は都市セッティングのアクセスノードで展開する場合、システムは、１９ｄＢの幅で各８０２．１１クラスタによって実現される、干渉の平均削減率を持つ安定した干渉最小化周波数再使用パターンに迅速に収斂させる。（装置密度が増加すると、干渉の期待削減率は、特定伝播環境及びネットワークトポロジの関数である干渉削減の厳密なゲインとともに増加する。）
干渉の削減は、当該アルゴリズムを実装していないが、エンハンストアクセスポイントの存在下で動作するレガシーシステムによっても実現される。ネットワークに新規のアクセスポイントが加えられる場合、該ネットワークは自動的に準最適な周波数再使用パターンに収斂させる。これは、アクセスノード間のメッセージパッシング、既存の８０２．１１プロトコルの調整、ユーザーガイダンスなしで達成され、先行して生成されるか外的に生成された環境又はネットワークについての知識を必要とせず、アクセスノードにおける最小の追加計算複雑性で達成される。上記刊行物に記載されたダイナミック周波数選択（ＤＦＳ）の機構は、インフラストラクチャーベースのネットワークに関して、干渉情報の交換にゲーム理論アプローチを用いる。

特許文献３は、無線ステーションにコンテンツをブロードキャストする無線通信システムにおいて割当周波数スペクトルの未使用の一部を用いる方法について検討している。第１の無線ステーションは、派生干渉レベルを他の無線ステーションにおいて許容できる最大限度以下に維持しながら、アイドルのブロードキャストチャネルで第２の無線ステーションと通信することができる。無線ステーションで測定される干渉レベル情報を用いることにより、無線ステーションは、確立チャネル上の別の無線ステーションと、１つ又は複数のブロードキャストチャネル上の後の通信について交渉することができる。無線ステーションは、ブロードキャストチャネルに対応し、無線ステーションによってさらに処理されるタイムスライスにブロードキャストコンテンツを受信することができる。そうでなければ無線ステーションは、対応する時間を利用して、対応チャネルの干渉レベルを測定するか、別の無線ステーションにデータを送信し又は別の無線ステーションからデータを受信することができる。

米国特許出願ＵＳ２００８／００８１６７５Ａ１ 米国特許出願ＵＳ２００８／０１０２８４９Ａ１ 米国特許出願ＵＳ２００６／００８４４４４Ａ１

"Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｐｏｌｉｃｙ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ，" ＥＴ Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．０２−１３５， Ｎｏｖ ２００２ "Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ Ａｃｃｅｓｓ ｉｎ Ｆａｄｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，" （Ａ．Ｇｈａｓｅｍｉ， Ｅ．Ｓｏｕｓａ， １ｓｔ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＤｙＳＰＡＮ），Ｎｏｖ．２００５） "Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｍｏｎｇ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏｓ，" （Ｓ．Ｍｉｓｈｒａ， Ａ．Ｓａｈａｉ， Ｒ．Ｂｒｏｄｅｒｓｅｎ， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ （ＩＣＣ）， Ｊｕｎｅ ２００６） "Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，" （Ｇ．Ｇａｎｅｓａｎ， Ｙ．Ｌｉ， １ｓｔ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ （ＤｙＳＰＡＮ）， Ｎｏｖ．２００５） "Ｔｈｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ Ｒｅｖｉｅｗ" （ＯＦＣＯＭ， Ｎｏｖ ２００４［ｗｗｗ．ｏｆｃｏｍ．ｏｒｇ．ｕｋ／ｃｏｎｓｕｌｔ／ｃｏｎｄｏｃｓ／ｓｆｒ／ｓｆｒから入手可能］） "Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｐｏｌｉｃｙ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ Ｒｅｐｏｒｔ" （Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ， ＦＣＣ， ＥＴ Ｄｏｃｋｅｔ ０２−１３５，Ｎｏｖ ２００４） "Ｆａｃｉｌｉｔａｔｉｎｇ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ， ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｕｓｅ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｒａｄｉｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ" （ＦＣＣ， ＥＴ Ｄｏｃｋｅｔ ０３−１０８， Ｄｅｃ ２００３） "Ｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｗｈｉｔｅ Ｓｐａｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ ｉｎ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏｓ，" （Ｆ．Ｈａｒｒｉｓ， Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， ｖｏｌ．４５， ｐｐ ３２５−３４２， ２００８） "Ｃａｎｄｉｄａｔｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ，" （Ｍ．Ｒｏｊａｓ， Ｍ．Ｌａｇｕｎａｓ， Ａ．Ｐｅｒｅｚ， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ｔｈｅ １１ｔｈ ＷＳＥＡＳ Ｉｎｔｎｌ． Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｊｕｌ ２００７） "Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅｒｖｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｌｉｎｋ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｉｎ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒａｄｉｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ，" （Ｓ．Ｓｕｂｒａｍａｎｉ， Ｓ．Ａｒｍｏｕｒ， Ｄ．Ｋａｌｅｓｈｉ， Ｚ．Ｆａｎ， ＩＥＥＥ Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＶＴＣ）， Ｍａｙ ２００８）

従来の技術は、セカンダリネットワークのバッテリ消費を最適化するものではなく、チャネルスイッチオーバー時のシームレスな通信を可能にするものではない。

大まかに言えば、この発明の実施形態は、本方法を用いる各ノードが、この分野における様々な既存の研究に見られるような個別のプライマリ検出及びスキャンあるいは異なるノードによるコーポラティブスキャニングを実行する必要性なしでスペクトルを効果的に利用することができるように、ノードによる使用のためにチャネルを選択する方法を提供する。

この発明の第１の態様において、複数の通信ノードを持つ無線ネットワークにおいてチャネルにアクセスする方法であって、使用可能な第１のチャネルを識別すること、リーダーノード及び前記複数の通信ノードの少なくともいずれかを具備し前記第１のチャネルの利用を管理するコグニティブネットワークを形成すること、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合に、使用可能な第２のチャネルを識別することを含み、前記リーダーノードにより前記コグニティブネットワークを管理すること、及び、前記第２のチャネルが識別されると該第２のチャネルに切り替えること、を具備する方法が提供される。

複数の通信ノード間で単一の通信チャネルの使用を管理することの利点は、ネットワークにおけるすべての通信ノードが同じチャネルで通信することができ、これにより無線ネットワークのメンテナンスを単純化することができることである。更に、リーダーノードによるコグニティブネットワークの管理は、各ノードが個別のプライマリ検出及びスキャンを実行する必要性をなくす。これには、従来技術で適用された方法と比較し、セカンダリネットワーク全体のバッテリ消費を著しく削減することができるという利点がある。

前記管理することは、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合を判定するために前記第１のチャネルを監視することをさらに含んでもよい。

上記態様の一実施形態において、本方法は、前記第２のチャネルへの切り替えに伴い前記コグニティブネットワークを管理するためのさらなるリーダーノードを選択することをさらに具備してもよい。

コグニティブネットワークを管理する、さらなるリーダーノードを選択することには、リーダーノードのタスクを複数の通信ノード間で共有することができるという利点がある。

前記さらなるリーダーノードは、前記複数の通信ノードの各々がリーダーノードとして選択される機会を均等にするクレジット機構に基づいて、前記複数の通信ノードの少なくともいずれかから選定されてもよい。これは、事実上、ネットワークにおけるすべての通信ノードが、それらのリソースの使用状況における公平な節約を享受することを可能にする。

前記クレジット機構は、前記複数の通信ノードの少なくともいずれか及び前記リーダーノードそれぞれにクレジットポイントを割り当てることに基づいてもよい。

この発明のさらなる実施形態において、方法は、前記第１のチャネルを監視する際に、前記割り当てられたクレジットポイントを変更することをさらに具備してもよい。

前記複数の通信ノードの少なくともいずれかのうち、最も低いクレジットポイントを持つものを前記さらなるリーダーノードとして選択してもよい。

前記第２のチャネルへの切り替えは、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合が判定されると、前記複数の通信ノードに警告メッセージを送信することを含んでもよい。

前記使用可能なチャネルを識別することは、前記チャネルのチャネル品質を判定することを含んでもよい。

前記第１のチャネルの使用はチャネルアクセススキームにより管理してもよい。前記チャネルアクセススキームの例は、搬送波感知多重アクセス（CSMA : Carrier Sense Multiple Access）スキームを含む。

リーダーノードによる集中化アプローチで上記方法の各ステップを実行することについて、認識される利点は、あらゆるノード上で個別にチャネル識別が実行される従来技術とは対照的に、無線ネットワークの過度の電力消費を削減できることである。さらに認識される利点は、前記第１のチャネルから前記第２のチャネルへの切り替え時にシームレスな通信を可能にすることである。

この発明の第２の態様において、少なくとも一台の通信装置が追加される無線ネットワークにおいてチャネルにアクセスするための通信装置であって、該通信装置及び前記少なくとも一台の追加の通信装置は、リーダーモードとノーマルモードの間で動作し、前記無線ネットワークにおいて使用可能な第１のチャネルを識別する手段と、前記通信装置及び前記少なくとも一台の追加の通信装置を具備し前記第１のチャネルの利用を管理するコグニティブネットワークを形成するための手段と、前記通信装置を前記リーダーモードに切り替えるモード切り替え手段と、を具備し、前記リーダーモードで動作する場合に、前記コグニティブネットワークを管理し、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合に使用可能な第２のチャネルを識別し、前記第２のチャネルが識別されると該第２のチャネルに切り替える通信装置が提供される。

この発明の実施形態による無線通信ネットワークの概要図を示す図である。 図１に示されたネットワークの無線通信ステーションの概要図を示す図である。 この発明の実施形態によるコグニティブ無線が用いられるスペクトル部分のチャネル予約配置を示す図である。 この発明の実施形態によりセカンダリユニットのチャネルを識別し、当該識別されたチャネルを利用し、プライマリユニットによるチャネルの再利用時に当該チャネルから切断する方法の段階を示す図である。

本発明の具体的な実施形態を添付の図面に基づいてさらに詳細に説明する。これはあくまで一例であり、保護を求める範囲の何らかの限定を提示するものと見られるべきでないことを理解されたい。

実施形態の説明では、いくつかの点を想定している。

第１に、セカンダリネットワークにおけるすべてのノードは、例えばＣＳＭＡ（搬送波感知多重アクセス方式）のような何らかのアクセス機構を用いて、単一の空きチャネルで通信する。当技術において、ＣＳＭＡとは、確率的な媒体アクセス制御（ＭＡＣ）プロトコルであることが知られており、ノードは、周波数スペクトルのような共有の伝送媒体上に送信する前に、他のトラフィックが無いことを確認する。

第２に、プライマリ検出は、例えばＳＩＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐｌｕｓ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）しきい値に基づく。しかしながら、このアプローチを置換することができる他の様々な方法が存在することを理解されたい。

第３に、この発明の実施形態は、協力的なタスクに関してユーザーが自発的にネットワークをセットアップするよう展開することができる。

第４に、この発明の実施形態は、主として小規模から中規模のネットワークを対象とするが、これに限定されない。大規模なネットワークについては、ブリッジネットワークを通じて接続された異なるチャネルにおけるノードのクラスタを含むように、原理を拡張してもよい。

この発明の実施形態を実行するために、図１にコグニティブ無線ネットワークを示し、図２にステーション（セカンダリユニットとして動作）を示す。

この発明は、図１に示されるような無線通信ネットワーク１０を具備する具体的な実施形態に関して説明される。このネットワークは、利用可能スペクトルにおいて定義されたチャネルによって通信することが可能ないくつかの無線通信ステーション２０を具備する。この発明の特定の実施形態において、チャネルは、周波数として、スペクトルで定義される。しかし、以下の説明及びこの発明の態様に関する上記説明から、チャネルは、時間、コード、空間又は任意のそれらの組み合わせのような何らかの適切な手段により媒体で定義されてもよい。

図２に示されるように、無線通信ステーション２０は、それぞれ既知の形式のハードウェアで実装される。図２は、通信能力を備える汎用コンピュータによって実装されるものとして無線通信ステーション２０を示している。この場合、通信能力はハードウェアによって提供され、該ハードウェアは、ソフトウェアによって構成される。より詳しくは、ステーション２０は、ワーキングメモリ３２及びバス３４と通信するプロセッサ３０を具備する。大容量記憶装置（他の記憶装置でも足りるが、ここでは磁気記憶装置としている）３６は、データ及び／又はプログラムの、即時の使用ではなく長期記憶のために提供される。媒体アクセスコントローラ３８は、アンテナ４０に接続され、ステーション２０に無線通信媒体へのアクセスを提供する。媒体アクセスコントローラは、通信媒体、すなわち利用可能な無線周波スペクトルへのステーションによるアクセスを管理し、空きチャネルをスキャンしアクセスするような機能、データの組立て及び伝送のような他の機能を含む。

通常、ステーション２０は、オーディオビジュアル出力デバイス４４及びユーザー操作入力デバイス４６をさらに具備する。

ワーキングメモリ３２と大容量記憶装置３６の間で、ステーション２０は、下記に述べるこの発明の具体的な実施形態によってプロセッサ３０が、無線スペクトルへのアクセスを提供するようにステーション２０を構成することを可能にする、実行可能プログラムを記憶する。

この例において、コグニティブなユーザー（オポーチュニスティックなユーザー）が利用可能なスペクトルは、別個の周波数帯に分割された広帯域スペクトルを包含する。これらの周波数帯は、等しい幅である必要はない。上述の不連続な周波数帯域をセンスし処理するために、チャネルは、検出及びセンシングに関して最小の分解能の、平等なサブチャネルに都合よく分割される。図３において、これらのチャネルはＣｎと指定される（ただし、ｎは整数）。

また、先の例は、周波数帯に分割された広帯域スペクトルを利用しているが、媒体及び技術の実装の種類を考慮して、利用可能な媒体の何らかの適切な細区分を用いることができることを理解されたい。

本開示は、電力レベル又は干渉温度（interference temperature）をセンスし、又は検出する何らかの特定の方法に限定されず、したがって、この機能についての本装置の詳細な説明は、本明細書では細かく記載していないことを理解されたい。したがって、任意の既知の方法又は未だ考案されていない何らかの方法によってＱｏＳ及び他の同じような基準を決定することも、依然として本発明の範囲内である。

ここで、使用可能なスペクトルにおけるチャネルＣｎにアクセスするＳＵの一般的な概念について図３を参照しながら説明する。図のように、時刻Ｔ１において、チャネルＣ１、Ｃ３、Ｃ４及びＣ６はＰＵによって占有されており、チャネルＣ２及びＣ５は、ＳＵによる伝送に利用可能な空きチャネル（あるいはスペクトルホール）である。時刻Ｔ２において、ＳＵは、チャネルＣ２を占有し、ＰＵがこれを再要求するまで、このチャネルでの送信を開始する。時刻Ｔ３において、ＰＵがチャネルＣ２を再要求し、ＳＵは、次の空きチャネル（この例ではＣ５）をスキャンし、通信を再開するためにそのチャネルに切り替える。

本発明の実施形態に係る基本的特徴は、プライマリユーザーによる使用のためのチャネル条件によってセカンダリネットワークが管理され、セカンダリネットワークのすべてのノードは、例えばＣＳＭＡアクセスを用いて１つの空きチャネルで通信し、プライマリをセンシングすると、セカンダリネットワーク全体が下記で述べるように「リーダー」ノードによって「スキャンされた」次の空きチャネルに切り替わることである。

空きチャネルで動作するコグニティブなセカンダリネットワークは、ネットワーク形成及び通信に関して以下の方法を用いる。

１．セカンダリネットワークの形成
図４を参照すると、コグニティブなセカンダリノード５０又は５２がコグニティブなセカンダリネットワークを形成しようとする場合、空きチャネルをスキャンする（Ｓ１−２）空きチャネルを検出すると（Ｓ１−４）、自身が「リーダー」ノードであると宣言し（Ｓ１−６）、周期的にビーコンを送信し始める（Ｓ１−８）。このビーコンは空きチャネルの周波数に送信され、当該ネットワーク内のノードの数、ノードのステータス、リーダーノード５４と通信するためのＴＤＭＡアクセススロットを与えるネットワークスコアテーブルにおける位置についての情報を含んでいる。

２．既存のセカンダリネットワークへの加入
コグニティブなセカンダリノード５２が既存のセカンダリネットワークに加入しようとする場合、スペクトルをスキャンし、「リーダー」ノード５４から送信されたビーコンをリッスンする（Ｓ１−７）。セカンダリネットワークを検出すると、該ノードは、「リーダー」ノードとのアソシエーションによりネットワークに加入する（Ｓ１−１４）。

３．リーダーノードのタスク（Ｓ１−１８）
リーダーノードは、以下を含むいくつかのタスクを行なうように構成される。

ａ．当該ネットワーク内のノードの数、ノードのステータス、リーダーノードと通信するためのＴＤＭＡアクセススロットを提供するネットワークスコアテーブルにおけるノードの位置のような情報を提供する周期的なビーコン送信。次の段落で説明するように、ネットワークスコアテーブルは、プライマリ検出時に新しいリーダーを任命するための公平なクレジット機構を提供する。

ｂ．新規ノードネゴシエーション
ｃ．当該ネットワークに関係するすべてのノードについてのネットワークスコアテーブルの維持
ｄ．ＰＵがチャネルを再要求しようとするかどうか判定するプライマリ検出のためのスペクトルセンシング。これは、周期的に、あるいはヒストリックデータに基づいて行なうことができる。何らかの特定の実装に用いられるセンシング機構を選択することは、この開示の範囲外である。

ｅ．プライマリの信号を検出すると（Ｓ１−２０）、リーダーは以下のステップを実行する。

ｉ．チャネルの終了及び別の利用可能な空きチャネルへの切り替えを準備させるために、ネットワーク内のすべてのノードに「警告」メッセージをブロードキャストする（Ｓ１−２２）。

ｉｉ．新しいリーダーを任命する（Ｓ１−２４、Ｓ１−２６）。

ｉｉｉ． 新たに任命されたリーダーがリーダーシップアポイントメントを受理すると（Ｓ１−２８）、現在のリーダーは、新たな空きチャネルをスキャンする（Ｓ１−３０）。

ｉｖ．新たに検出された空きチャネルのチャネル番号／周波数をネットワーク内のノードにブロードキャストする（Ｓ１−３４）。新しいリーダーが任命され、新たに検出されたチャネルのチャネル番号がブロードキャストされると、自身を通常のＳＵノードに切り替える（Ｓ１−３６）。図４に示すように、新たに任命されたリーダーを含むすべてのＳＵは、新しいチャネルに切り替える（Ｓ１−３８、Ｓ１−４０）。チャネル／周波数切り替えに関する情報をノードが受信しない場合、該ノードは、再スキャンを行ってネットワークを見つけ、再加入（rejoin）する必要がある。

ｆ．その後、新たに任命されたリーダーは、ビーコンを周期的に送信する（Ｓ１−４４）。

４．ノード動作
セカンダリネットワークにおけるノードは、リーダーから与えられたコマンドに従って応じる。例えば、リーダーが「警告」メッセージをブロードキャストする場合、該ネットワーク内のノードは、いかなる進行中の通信も一時的にサスペンドし、新しいネットワークへの切り替えが完了すると通信を再開する。これは、進行中の通信が放棄されないという点で有利である。よって、新しいネットワークへの切り替え時に、通信を再確立する必要がない。

新しいネットワークへの切り替えが完了すると（Ｓ１−４０）、ノードの各々は、タイムリー（ＴＤＭＡ）に（又はランダムバックオフによって）、新しいチャネルへの切り替えの成功を通知するためにリーダーにメッセージを送信する（Ｓ１−４４）。

５．公平なクレジット機構を用いて新しいリーダーを任命
新しいリーダーは、コグニティブネットワークにおけるすべてのノードがリソース使用の公平な節約を享受するようリーダータスク実行の責務がノード間で平等に共有されることを可能にする、公平なクレジット機構で任命される。ここで、一例として、公平なクレジット機構について説明する。

ネットワークの初期の形成においては、自薦のリーダー（ノード１）が表１に示されるようなスコアテーブルを生成し保持する。先のセクション３で説明したように、スコアテーブルはリーダーノードによって維持され更新される。

単純化のために、３つのノードがこの例において示される。しかし、当業者は、任意の数のノードがネットワークに加入してもよいことを理解するであろう。また、スコアテーブルのサイズはネットワークにおけるノードの数に従う。

この例において検討すると、Ｎ１は空きチャネル（Ｃ２）を占有し、ビーコン信号を周期的に送信する。Ｎ１は先のセクション３で規定したリーダーの責務を引き受けることにより＋Ａポイントを得る。この例において、「Ａ」は数値１０としている。Ｎ２はビーコン信号を受信し、Ｎ１主導の空きチャネルの存在を知らされている。続いて、Ｎ２は接続をネゴシエーションし、ネットワークに加入する。したがって、Ｎ２は、―Ａという、低いスコアを受け取る。表１に示すように、残りのセカンダリユーザーは、ネットワークに加入すると−Ａのスコアを受け取る。

プライマリを検出すると現在のリーダーノードＮ１は新しいネットワークに切り替え、テーブルをスキャンし、最低のスコアを持つノードを新しいネットワークの新しいリーダーに任命する。２つ以上のノードが同じスコアを持つという事象では、ノード間で最初のエントリーのノードを次のリーダーに任命する。従って、表１の例では、表において最低のスコアを持つ最初のエントリーノードであるＮ２が新しいネットワークのリーダーノードとして任命される。

６．チャネルのスキャン及び切り替え
リーダーノードは、チャネルのＳＩＮＲを監視することによりスペクトルにおいて利用可能な空きチャネルをスキャンする。本質的に、リーダーノードは、空きチャネルそれぞれのＳＩＮＲを３つのレベルすなわち「ＨＩＧＨ」、「ＭＯＤ」及び「ＬＯＷ」に類別する。続いてリーダーノードは、ＳＩＮＲアクティビティが「ＬＯＷ」であるチャネルを選択する。ＳＩＮＲレベルの定義は表２で与えられる。

ここで、表３を参照しながらスキャン及びチャネル切替え処理の例を説明する。

表３に示すように、最初は、２つのノード（Ｎ１及びＮ２）がネットワーク中に存在する。プライマリが検出されると、リーダーノード（Ｎ１）は、スペクトルにおいて利用可能なチャネルをスキャンする。表３は、スキャンが行なわれた後にリーダーノードによって収集された情報の集計を示している。本実施形態の詳細な説明における、単純性及び明瞭さのために、４つのチャネル（Ｃ１からＣ４）のみが表３に示される。

スキャン１において、リーダーノードＮ１は、チャネルＣ４のＳＩＮＲアクティビティが「ＬＯＷ」であることを根拠に、通信の確立のためにチャネルＣ４を選択する。したがって、コグニティブネットワークのノードは、ＰＵがこのＣ４に入るまで、このチャネルを利用する。

ＰＵがＣ４に入ると、新しいネットワークに切り替えるための手順が実行される。表３（スキャン２）に示すように、リーダーノードの責務は、上述のクレジット機構によってＮ１からＮ２に渡される。したがって、プライマリが検出されると、Ｎ２は、通信を確立できる適切なチャネルをスキャンする。表３に示すように、ネットワークを切り替えられることが可能なチャネルは、Ｃ３（ＳＩＮＲレベル＝「ＭＯＤ」）のみである。ここで、Ｃ４は現在のところＰＵによって占有されていることから、Ｃ４のＳＩＮＲレベルは「ＨＩＧＨ」であることが理解される。表２の定義によれば、このチャネルの通信における通信は拒否されるので、Ｎ２はビーコンメッセージの送信に制限される。Ｎ２は、「ＬＯＷ」のＳＩＮＲレベルを持つ利用可能チャネルをスキャンし続ける。

スキャン３において、Ｃ３のＳＩＮＲレベルは「ＬＯＷ」に変わり、この時点で当該チャネルの通信が可能である。

スキャン４において、この時点ではＣ３のＳＩＮＲが「ＨＩＧＨ」であることから、ネットワークはＣ１（「ＬＯＷ」ＳＩＮＲ）に切り替えられる。この間、Ｎ３が当該ネットワークに加入する。スキャン５において、ネットワークはＣ２に切り替えられ、先の段落で述べたクレジット機構によりＮ３が新しいリーダーとして任命される。

先の例では、空きチャネルのアクティビティの評価のための基準としてのＳＩＮＲしきい値の使用について説明した。しかしながら、空きチャネルのアクティビティを評価するのに任意の適切な方法を用いてもよいことを当業者は即座に理解するであろう。

まとめると、この発明の実施形態は、従来技術に対して次の利点を提供する。

１．セカンダリネットワークのノードは、ＣＳＭＡアクセスによって単一チャネルで動作する。このためネットワークのメンテナンスは容易である。

２．チャネルスキャンは１つのセカンダリノード（リーダーノード）によって行なわれ、プライマリユーザーがチャネルに入るときに限り、該チャネルスキャンは引き起こされる。これは、各セカンダリノードが独自にチャネルスキャンを行なう従来技術と比較してネットワークのセカンダリノード群全体のバッテリ消費が著しく削減される点で有利である。

３．「警告」メッセージを受信するとノード通信は休止され、新しいチャネルへの切り替えによって再開される。これによりシームレスな通信が可能である。

４．すべてのノードは、公平なクレジット機構に基づいてリーダーシップがノード間で共有されることから各自のリソースの公平な節約を享受する。

この発明の実施形態の先の詳細な説明は、熟練した読み手を対象に提供したが、この発明の範囲に対する何らかの制限を強制するものとして読まれるべきではないことを理解されたい。この発明は、明細書に添付された特許請求の範囲によって特徴づけられるものと見なされるべきであり、（拘束されるものではないが）サポートする詳細な説明を参酌して解釈されるものと見なされるべきである。

Claims (21)

1. 複数の通信ノードを持つ無線ネットワークにおいてチャネルにアクセスする方法であって、
   使用可能な第１のチャネルを識別すること、
   リーダーノード、及び前記複数の通信ノードの少なくとも一つを具備し、前記第１のチャネルの利用を管理するコグニティブネットワークを形成すること、
   前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合に、使用可能な第２のチャネルを識別することを含む前記リーダーノードにより前記コグニティブネットワークを管理すること、
   前記第２のチャネルが識別されると該第２のチャネルに切り替えること、
   前記第２のチャネルへの切り替えに伴い前記コグニティブネットワークを管理するためのさらなるリーダーノードを選択すること、を含み、前記さらなるリーダーノードは、クレジット機構に基づいて前記複数の通信ノードの少なくともいずれかから選択される、方法。
2. 前記管理することは、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合を判定するために前記第１のチャネルを監視することをさらに含む請求項１の方法。
3. 前記クレジット機構は、前記複数の通信ノードの各々がリーダーノードとして選択される機会が均等になるようにする請求項１の方法。
4. 前記クレジット機構は、前記コグニティブネットワークにアソシエーションする場合に、前記複数の通信ノードの少なくともいずれか及び前記リーダーノードのそれぞれにクレジットポイントを割り当てることに基づく請求項３の方法。
5. 前記第１のチャネルを監視する際に、前記割り当てられたクレジットポイントを変更することをさらに具備する請求項４の方法。
6. 前記複数の通信ノードの少なくともいずれかのうち、最も低いクレジットポイントを持つものを前記さらなるリーダーノードとして選択する請求項４又は５の方法。
7. 前記第２のチャネルに切り替えることは、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合を判定したときに前記複数の通信ノードに警告メッセージを送信することを含む請求項１乃至６のいずれかの方法。
8. 使用可能なチャネルを識別することは、前記チャネルのチャネル品質を判定することを含む請求項１乃至７のいずれかの方法。
9. 前記第１のチャネルの使用はチャネルアクセススキームにより管理される請求項１乃至８のいずれかの方法。
10. 前記チャネルアクセススキームは搬送波感知多重アクセススキームを含む請求項９の方法。
11. 通信装置以外と少なくとももう一台の通信装置を有する無線ネットワークにおいて、チャネルにアクセスするための前記通信装置であって、
    該通信装置及び前記少なくとももう一台の追加の通信装置は、リーダーモードとノーマルモードのいずれかで動作し、
    前記無線ネットワークにおいて使用可能な第１のチャネルを識別する手段と、
    前記第１のチャネルの利用を管理するための、前記通信装置及び前記少なくとももう一台の通信装置を有するコグニティブネットワークを形成するための手段と、
    前記通信装置を前記リーダーモードに切り替えるモード切り替え手段と、
    第２のチャネルに切り替わると前記リーダーモードで動作する前記少なくとも一台の追加の通信装置を選択するための選択手段と、を具備し、
    前記リーダーモードで動作する場合に、前記コグニティブネットワークを管理し、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合に使用可能な第２のチャネルを識別し、前記第２のチャネルが識別されると該第２のチャネルに切り替え、
    前記第２のチャネルへの切り替えに伴い、クレジットスキームに基づいて複数の前記通信装置の少なくともいずれかから前記コグニティブネットワークを管理するためのさらなるリーダーノードを選択する通信装置。
12. 前記リーダーモードで動作する場合に、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合を判定するために前記第１のチャネルを監視する請求項１１の装置。
13. 前記選択手段は、前記コグニティブネットワーク内の前記通信装置のそれぞれが前記リーダーノードとして動作する機会を均等にする請求項１１の装置。
14. リーダーモードで動作する場合、前記コグニティブネットワークにおける前記少なくとも一台の追加の通信装置のそれぞれに、前記クレジットスキームによりクレジットポイントを割り当てる請求項１３の装置。
15. リーダーモードで動作する場合、前記第１のチャネルが監視されると前記割り当てたクレジットポイントを変更する請求項１４の装置。
16. 前記選択手段は、最も低いクレジットポイントを持ち前記リーダーモードで動作する前記少なくとも一台の追加の通信装置を選択する請求項１４又は１５の装置。
17. 前記リーダーモードで動作する場合、前記第１のチャネルがもはや使用可能でない場合を判定すると、前記コグニティブネットワーク内の前記少なくともいずれかの通信装置に警告メッセージを送信する請求項１１乃至１６のいずれかの装置。
18. 前記使用可能なチャネルの識別手段は、前記チャネルのチャネル品質を判定する請求項１１乃至１７のいずれかの装置。
19. 前記リーダーモードで動作する場合、チャネルアクセススキームにより前記第１のチャネルの使用を管理する請求項１１乃至１８のいずれかの装置。
20. 前記チャネルアクセススキームは搬送波感知多重アクセススキームを含む請求項１９の装置。
21. 前記モード切り替え手段は、前記リーダーモードで動作する前記少なくとも一台の追加の通信装置が選択されると、前記ノーマルモードに切り替える請求項１１乃至２０のいずれかの装置。

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