JP6926061B2 - スペクトルへの機会利用型アクセスのための方法 - Google Patents

Description

本発明は、スペクトルリソースの利用に関し、より詳細には、無線通信のための機会利用型スペクトルアクセスに関する。

様々なワイヤレス無線通信用途及びサービスへの周波数帯域の静的な割り当てにより、スペクトルリソースの不足が生じる。しかしながら、多くの研究は、周波数帯域が慢性的に十分活用されていないことが検討されていることを示している。これは、通信における大きな機会を表す。

この関連で、機会利用型スペクトルアクセスの概念が提案されている。

機会利用型スペクトルアクセスの概念は、２つのクラスのユーザ、すなわち、プライマリユーザ及びセカンダリユーザを定義する。プライマリユーザは、プライマリユーザのサービスに専用のスペクトルリソースへの優先アクセスを有する。セカンダリユーザは、プライマリユーザと対照的に、所与の時点においてプライマリユーザによって利用されていないスペクトルリソースへのアクセスの機会を用いようとする、非優先ユーザである。

したがって、優先プライマリユーザ集団によっても用いられるプライマリネットワークの周波数帯域に対する、セカンダリユーザによる機会利用型スペクトルアクセスの方法を最適化する必要がある。

同期プライマリネットワーク、すなわち、本開示において時間フレームとも呼ばれる一定の持続時間のスロット又は間隔に時間が細分化されるネットワークのみを検討する。

プライマリネットワークに専用の周波数帯域は、チャネルと呼ばれる、独立した周波数のＫ個のサブバンドに分割される。各時間フレームｔの間、各チャネルは、「空き」状態にあり、この場合、このチャネルは、セカンダリユーザが対応するスペクトルにアクセスする機会を表し、又は、「ビジー」状態にあり、例えば、この特定の時間フレーム中にプライマリユーザによって用いられている。

ここで、以下の本開示において、「セカンダリユーザ」という用語は、環境についての、特にチャネルｋが時間フレームｔにある間の状態についての情報を得ることを可能にする様々な検出器を設けられた無線装置又はデバイスを表す。セカンダリユーザは、無線通信（送信、受信）手段、電子メモリ、少なくとも１つのマイクロプロセッサタイプの計算要素及びバッテリも設けられる。マイクロプロセッサによって実行されるコンピュータプログラム製品がデバイスを機能させる。

セカンダリユーザは、原則として、時点ｔにおける様々なチャネルの利用可能性に関する知識も、特定のチャネルｋが時点ｔにおいて利用可能になる確率に関する知識も有していないとみなされる。スペクトルリソースを最適に利用するには、このユーザは、プライマリネットワークの特性を学習し、特に、各チャネルの利用可能性の確率を推定しなくてはならない。ユーザは、自由に使える多数の変数を有する。これらの変数は、計算され、ユーザが環境に関する情報を収集するのに応じて、より精密になる。これらの変数は、例えば、任意の値に固定されて、又はそうでない場合、各チャネルが少なくとも１回走査される初期化フェーズの実行により、初期化されなくてはならない。

強化学習の規則に従って、スマートエージェントは、状態によって記述される環境を観測し、そして、このスマートエージェントは、動作につながる決定を行い、エージェントは、動作及び状態の関数として報酬（賞金とも呼ばれる）を受け取る。機会利用型アクセスの従来技術による多数の方法は、マルコフ意思決定プロセスを用いてチャネルの状態の発展をモデル化する。

検討される状況において、スマートエージェントは、セカンダリユーザのマイクロプロセッサによって実行されるプログラムであり、環境を観測し、各時間フレームにおいて、時間フレームｔ中に特定のチャネルｋを用いる際に遠隔のセカンダリユーザとの通信を試みることを決定する。検討されるフレームｔ中にチャネルがビジーであるか又は空きであるかに応じて、通信は失敗するか又は実行される。

「多腕バンディットモデル」として知られるモデルは、プライマリネットワークのマルコフモデル、より詳細には、プライマリユーザによる周波数チャネルの占有率に適用することができる意思決定プロセスの１つの特定の事例であり、ここでスマートエージェントは、異なる勝率を有するいくつかのスロットマシンのうちの１つに賭けることを選択しなくてはならないカジノギャンブラとみなされる。

ギャンブラが勝率の精密な知識を有する場合、賞金を最大にするために、最大の確率を有するマシンを体系的に選択する。ギャンブラは、これらの確率に関して事前知識を有しないので、全ての異なるスロットマシン上で賭けることによってこれらの推定を試みることになる。

検討される状況において、各チャネルは、空き（「勝利」と呼ばれる）である未知の確率を有するスロットマシンとしてモデル化される。

本開示において提示される機会利用型アクセスの方法は、多腕バンディットモデルに基づく従来技術の方法と比較して平均性能を改善することを目的としている。より詳細には、少なくとも１つの実施形態は、無線装置によって送受信されるデータのスループットレートを高める。また、少なくとも１つの実施形態は、無線装置のエネルギー消費を改善する。

他の特徴及び利点は、単純な例証のための非包括的な例として与えられる本開示の１つの特定の実施形態の以下の説明及び添付の図面から明らかとなるであろう。

従来技術による同期プライマリネットワークのスペクトルへの、セカンダリユーザによる機会利用型アクセスの原理を概略的に示す図である。 本開示の１つの実施形態による、周波数帯域への、セカンダリユーザによる機会利用型アクセスの方法を概略的に表す図である。 本開示の別の実施形態による、周波数帯域への機会利用型アクセスの方法を概略的に表す図である。 本イノベーションに従う１つの実施形態による同期プライマリネットワークのスペクトルへの、セカンダリユーザによる機会利用型アクセスの原理を概略的に表す図である。

図２〜図４を参照して、本開示において提示されるイノベーションによる実施形態を説明する。

従来、同期プライマリネットワークは、優先プライマリユーザのコミュニティを自由に使って、チャネルと呼ばれるｋ個のサブバンドに細分化された周波数帯域を配置する。

プライマリユーザは、スペクトルリソースの全てを永続的に用いるわけではない。これにより、非優先セカンダリユーザが、利用されていないスペクトルリソースを用いる機会が与えられる。そのようなプライマリネットワークは、例えば、民間のセキュリティに充当することができる。プライマリネットワークは、必要な場合に、民間のセキュリティ組織に迅速に利用可能とならなくてはならないが、大抵、ネットワークは、ほとんど用いられず、したがって、セカンダリユーザが機会利用型でアクセスすることができる利用可能なスペクトルリソースである。通常、セカンダリユーザによる機会利用型スペクトルアクセスは、プライマリユーザにとってトランスペアレントなままであり、プライマリユーザは、動作においても、又は提供されるサービス品質においても、いかなる形の変更も知覚しない。

図１は、いくつかの時間フレームの短い持続時間におけるＫ個のチャネルの利用可能性の従来の時間−周波数マトリックスを示す。空きチャネルはブランクで示され、ビジーチャネルは灰色で示される。

セカンダリユーザは、このプライマリネットワークへの機会利用型アクセスを得ようとする。これまでに得られた経験に基づいて、このセカンダリユーザは、指標Ｂ_ｋを各チャネルｋに関連付ける。この指標Ｂ_ｋは、特に、以前の経験から実験的に得られたチャネルｋの平均利用可能性

の関数として、各時間フレームとともに変動することができる。セカンダリユーザは、アクセスしたいプライマリネットワークの特性の事前知識を有していないので、変数Ｂ_ｋ及び

は、例えば、任意の値を割り当てられることによって、又はそうでない場合、各チャネルｋが少なくとも１回走査される初期化フェーズの実行によって初期化される。

図２に概略的に表されるように、各時間フレームｔの開始時に、セカンダリユーザは、観測ステップ１０を実行して、指標Ｂ_ｉ（ｔ）が最も高いチャネルｉの利用可能性を検証する。様々な従来の検出方法、例えば、エネルギー検出器（放射計）、又はそうでない場合、周期定常性検出器を用いることができる。

チャネルｉがこの時間フレームｔについて利用可能でない場合、ステップ２０において、セカンダリユーザがチャネルｉの平均利用可能性

を計算し、次の時間フレームｔ＋１を待って、遠隔ユーザとの無線通信のセットアップを試みる。

チャネルｉがこの時間フレームｔについて利用可能である場合、セカンダリユーザは、チャネルｉのスペクトルリソースを用いる際に、遠隔ユーザとの無線通信３０を開始する。ステップ４０において、セカンダリユーザは、チャネルの平均利用可能性

を計算する。

時間フレームｔ中にチャネルｉが利用可能であるか否かにかかわらず、ステップ５０において、指標Ｂ_ｉ（ｔ）が、

の関数として更新され、セカンダリユーザが観測することを可能にし、そして、場合によっては、時間フレームｔ＋１中に、指標Ｂ_ｊ（ｔ＋１）の最も高い値を有するチャネルｊを用いることを可能にする。

指標Ｂ_ｋの各々が、検討されるチャネルの平均利用可能性

の関数として更新されるので、セカンダリユーザは、連続した観測フェーズの結果を利用し、最も頻繁に利用可能なチャネルを優先するようにする。

このポイントまでは、説明される機会利用型アクセス方法は、従来技術において説明される他の方法に類似している。図１に表される例において、これらの方法により、チャネル２及びＫがより頻繁に選択されるようになる。なぜならば、セカンダリユーザが環境を探索するのに応じて、指標Ｂ_２及びＢ_ｋは、より頻繁に利用可能でない他のチャネルの指標に対し高くなるためである。

しかしながら、セカンダリユーザの観点から、全ての空きチャネルが等しい重要性を有するとは限らない。実際は、全てのこれらの空きチャネルが遠隔ユーザとの通信を有効に開始することを可能にする一方で、或る特定の利用可能なチャネルは、他のチャネルよりも良好な品質を提供する。本開示による機会利用型アクセスの方法は、利用可能であり、かつ同時に最良の品質を提供するチャネルを優先して選択することを可能にする。

図２に示す第１の実施形態によれば、チャネルが利用可能である場合であって、そのチャネルのスペクトルリソースがセカンダリユーザによって遠隔ユーザとの無線通信を行うために用いられる場合には、チャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）は、ステップ６０において時間フレームｔの間に計算される。時間フレームｔの終了時に、全てのチャネルの指標Ｂ_ｋ（ｔ）は、平均利用可能性

及びチャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）の関数として更新される。

チャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）は、様々な方法で計算することができる。１つの実施形態によれば、信号対雑音比（ＳＮＲ）は、時間フレームｔにおけるデータの伝送中に測定され、品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を計算するのに用いられる。別の実施形態によれば、データ伝送中に測定され、用いられるのは、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）である。

別の実施形態において、推定又は測定され、品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を計算するのに用いられるのは、データ伝送中のセカンダリユーザの電力消費量である。

図３に示す１つの実施形態によれば、チャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）は、チャネルがステップ７０において占有されている場合に計算される。当然ながら、データ伝送が存在しないので、品質指数は、信号対雑音比又は信号対干渉雑音比のような伝送品質の測定値とすることができない。しかしながら、チャネルｉの利用可能性を検証するために観測フェーズ１０中に得られる結果からチャネルの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を得ることが可能である。

例えば、放射計が、観測フェーズ１０中に、従来のように、Ｎ_{ｓａｍｐｌｅ}個のサンプル対（Ｘ，Ｙ）を測定する場合、ここで、Ｘは、同相チャネルＩにおいて測定され、Ｙは、直交チャネルＱにおいて測定され、検出器の出力は以下のタイプとなり得る。

従来の方式では、検出器の出力は、閾値と比較され、チャネルが空きであるか又はビジーであるかが判断される。チャネルがビジーであるとき、検出器の出力のレベルをステップ７０において提供し、チャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を得ることができる。なぜならば、出力レベルが高いほど、チャネルｉの品質が高いためである。

同様に、ステップ７０において、チャネルｉ上の信号の存否を検証するために、観測フェーズ１０において用いられる他のタイプの検出器について品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を決定することができる。

実施態様の１つのモードにおいて、品質指数を計算する第１のモードは、チャネルがステップ７０において空きでない場合に用いることができ、（例えば、伝送品質を測定する）第２の計算モードは、ステップ６０においてチャネルが空きである場合であって、セカンダリユーザが遠隔ユーザとの通信をセットアップするためにこのチャネルに機会利用型でアクセスする場合に用いられる。

１つの実施形態によれば、全てのチャネルにおける最良品質指数Ｒ_ｍａｘが保持され、ステップ５０における指標Ｂ_ｉ（ｔ）の更新中にＲ_ｍａｘとＲ_ｉ（ｔ）との間の差が考慮に入れられる。

別の実施モードによれば、全てのチャネルの品質指数Ｒ_ｋの平均値Ｇ_ｋが保持され、ステップ５０において、各指標Ｂ_ｋ（ｔ）が、Ｇ_ｍａｘと保持された値Ｇ_ｋとの間の差の関数として更新される。この差は、これまで頻繁に観測されていなかった新たなチャネルを探索するようにセカンダリユーザを導くために、このプライマリネットワークのスペクトルへのセカンダリユーザの機会利用型アクセスの開始からチャネルが観測された回数（すなわち、指標Ｂ_ｋがＫ個のチャネルの指標の中で最も高い時点の数）によって重み付けすることができる。

ステップ５０において、指標Ｂ_ｋが品質の関数として更新されると、このデータにより、品質測定の結果を用いることが可能になり、このため、最も頻繁に空きであり、一方で品質も提供するチャネルを優先することが可能になり、同時に、チャネルが非常に多くの場合に空きであるものの低品質である場合には他のチャネルの利用可能性を探索することも可能になる。

最終的に、別の実施形態によれば、チャネルごとにバイアスＡ_ｋ（ｔ）が計算され、指標Ｂ_ｋ（ｔ）は、ステップ５０において、バイアスＡ_ｋ（ｔ）の関数として更新される。特に、このバイアスは、所与のチャネルが観測された回数を考慮することができる。このようにして、頻繁に観測されるチャネルが十分な周波数を有して空きでない場合、又はそれらのチャネルが十分な品質を提供しない場合には、セカンダリユーザは、これまでほとんど観測されてこなかったチャネルの利用可能性を探索することになる。

ステップ５０の指標Ｂ_ｋを更新する機能のパラメータを再生することにより、より大きな重み又は小さな重みを、平均利用可能性

と品質測定値Ｒ_ｉ（ｔ）とバイアスＡ_ｋとに与えることができ、それによって、品質に関する経験、利用可能性の観点の経験、又はそうでない場合には、頻繁に観測されていないチャネルの探索を優先することができる。

１つの特定の実施形態において、セカンダリユーザは、各時間フレームｔの間にいくつかのチャネルを観測することが可能である。伝送が、観測された利用可能なチャネルのうちの１つ（最も高い指標Ｂを有するチャネル）のみにおいて行われる場合には、時間フレームｔの間のいくつかのチャネルの観測により、平均利用可能性及び各チャネルの品質に関するデータをより迅速に更新することが可能になる。同じようにして、いくつかの観測戦略、例えば、経験に基づく１つの戦略、及びセカンダリユーザが利用可能な情報をほとんど有しないチャネルを観測することを目的とした１つの探索戦略を有することが可能になる。

図４は、図１に対応しており、チャネルが利用可能である１つの時間フレーム中に得ることができる品質が示されている。図４に示される例において、セカンダリユーザは、チャネルＫよりもチャネル２を優先する。なぜならば、２つのチャネルの利用可能性の周波数が同一のままである場合であっても、品質指数Ｒ_２はＲ_Ｋよりも平均的に良好であるため、指標Ｂ_２は、Ｂ_Ｋよりも迅速に増加するためである。最終的に、セカンダリユーザは、図１に示す機会利用型アクセスの従来技術の方法により得られるよりも良好な品質の伝送を得ることになる。

本発明は、周波数帯域への機会利用型アクセスの上記で説明された方法のうちの１つを実施するための実行可能コードを記憶するコンピュータプログラム製品、及びデバイスのコンピュータによって実行されると、本明細書において上記で説明した方法のうちの１つに従ってプライマリネットワークのスペクトルに機会利用型でアクセスすることを可能にするそのようなコンピュータプログラム製品を備える通信デバイスにも関する。
なお、本願の出願当初の開示事項を維持するために、本願の出願当初の請求項１〜８の記載内容を以下に追加する。
（請求項１）
セカンダリユーザによる同期プライマリネットワークに専用の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法であって、前記周波数帯域は、Ｋ個の独立したチャネルに分割され、指標Ｂｋ及び平均利用可能性

が各チャネルｋに割り当てられ、該方法は、
各時間フレームｔにおいて、
最も大きな指標Ｂｉ（ｔ）を有するチャネルｉの前記セカンダリユーザによる観測ステップ（１０）と、
前記チャネルｉの前記平均利用可能性

を更新するステップ（２０、４０）と、
ここで、前記チャネルｉが空きである場合には、
前記フレームｔ中に、前記チャネルｉ上で前記セカンダリユーザと遠隔ユーザとの間でセットアップされたデータ伝送のステップ（３０）と、
前記チャネルｉの品質指数Ｒｉ（ｔ）を計算するステップ（６０）と、
Ｒｉ（ｔ）の前記平均利用可能性

の関数として、かつ各チャネルｋについて計算されたバイアスＡｋ（ｔ）の関数として、前記Ｋ個のチャネルの指標Ｂｋ（ｔ）を更新するステップ（５０）と
を含んでなる、方法。
（請求項２）
前記チャネルｉが空きである場合には、
前記データ伝送の品質が測定され、
前記チャネルｉの前記品質指数Ｒｉ（ｔ）は、前記伝送の前記品質の前記測定の関数として計算されることを特徴とする、請求項１に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
（請求項３）
前記データ伝送の品質は、信号対雑音比又は信号対干渉雑音比によって測定されることを特徴とする、請求項２に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
（請求項４）
前記データ伝送の品質は、前記データ伝送中の電力消費量によって測定されることを特徴とする、請求項２に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
（請求項５）
前記チャネルｉがビジーである場合には、
品質指数Ｒｉ（ｔ）が計算され、
前記Ｋ個のチャネルの前記指標Ｂｋ（ｔ）が、

及びＲｉ（ｔ）の関数として更新されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
（請求項６）
前記チャネルｉの前記品質指数Ｒｉ（ｔ）は、放射計によって測定されるエネルギーの関数として計算されることを特徴とする、請求項５に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
（請求項７）
マイクロプロセッサによって実行される場合に、請求項１に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法を実施するための実行可能コードを記憶している、コンピュータプログラム。
（請求項８）
無線通信手段と、
少なくとも１つのバッテリと、
少なくとも１つのコンピュータと、
メモリと、
周波数チャネルの利用可能性を観測することが可能な少なくとも１つのセンサと
を備えてなる通信デバイスであって、請求項７に記載のコンピュータプログラムを備えることを特徴とする、通信デバイス。

Claims (7)

1. セカンダリユーザによる同期プライマリネットワークに専用の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法であって、前記周波数帯域は、Ｋ個の独立したチャネルに分割され、指標Ｂ_ｋ及び平均利用可能性
   

   

   が各チャネルｋに割り当てられ、該方法は、
   各時間フレームｔにおいて、
   最も大きな指標Ｂ_ｉ（ｔ）を有するチャネルｉの前記セカンダリユーザによる観測ステップ（１０）と、
   前記チャネルｉの前記平均利用可能性
   

   

   を更新するステップ（２０、４０）と、
   ここで、前記チャネルｉが空きである場合には、
   前記フレームｔ中に、前記チャネルｉ上で前記セカンダリユーザと遠隔ユーザとの間でセットアップされたデータ伝送のステップ（３０）と、
   前記チャネルｉの品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）を計算するステップ（６０）と、
   前記品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）の関数として、前記平均利用可能性
   

   

   の関数として、かつ各チャネルｋについて計算されたバイアスＡ_ｋ（ｔ）の関数として、前記Ｋ個のチャネルの指標Ｂ_ｋ（ｔ）を更新するステップ（５０）と
   を含んでなる、方法。
2. 前記チャネルｉが空きである場合には、
   前記データ伝送の品質が測定され、
   前記チャネルｉの前記品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）は、前記伝送の前記品質の前記測定の関数として計算されることを特徴とする、請求項１に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
3. 前記データ伝送の品質は、信号対雑音比又は信号対干渉雑音比によって測定されることを特徴とする、請求項２に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
4. 前記チャネルｉがビジーである場合には、
   前記品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）が計算され、
   前記Ｋ個のチャネルの前記指標Ｂ_ｋ（ｔ）が、前記平均利用可能性
   

   

   及び前記品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）の関数として更新されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
5. 前記チャネルｉの前記品質指数Ｒ_ｉ（ｔ）は、放射計によって測定されるエネルギーの関数として計算されることを特徴とする、請求項４に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法。
6. マイクロプロセッサによって実行される場合に、請求項１に記載の周波数帯域への機会利用型アクセスの方法を実施するための実行可能コードを記憶している、コンピュータプログラム。
7. 無線通信手段と、
   少なくとも１つのバッテリと、
   少なくとも１つのコンピュータと、
   メモリと、
   周波数チャネルの利用可能性を観測することが可能な少なくとも１つのセンサと
   を備えてなる通信デバイスであって、請求項６に記載のコンピュータプログラムを備えることを特徴とする、通信デバイス。

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