本発明は、例えば放送システムやレーダシステムのような特定のシステムに対してライセンスされている帯域を、そのシステムが使用していない場所・時間に限って使用するコグニティブ通信システムおよびコグニティブ通信方法に関する。

周波数資源の逼迫に対応するために、次世代の移動体通信システムとして、「コグニティブラジオ」と呼ばれる方式の検討が開始されている。

コグニティブラジオの基本的な考え方は、使用可能性がある帯域をスキャンして使用状況を検出し、使用中でなければ借用するというものである。 当然のことながら、コグニティブラジオが用いられる無線システム（以下、「コグニティブ通信システム」と称する）では、放送システムやレーダシステム、電波天文観測システムのような既存の無線システムに干渉を与えないように無線チャネルを共有しなければならない。

既存の無線システムとして、テレビジョン放送用の周波数無線チャネルを共有化する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３５８３９６２号明細書

上述した特許文献１では、ライセンスされている既存の無線システムとしてテレビジョン放送のみを考えている。 このため、空き無線チャネルの時間的、空間的な変動はほとんどない。 つまり、一旦、無線チャネルが空き状態であると判断されると、地形の変化やテレビジョン放送局の新たな設置等の変化が生じるまで、空きと判断された無線チャネルはテレビジョン放送に干渉を与えずに継続して使用できる可能性が高い。 しかしながら、セルラーや無線ＬＡＮのようなシステムでは、端末自体が移動するので、これらのシステムに割り当てられている無線チャネルの状態が変動する。 すなわち、ある時点では空き状態であった無線チャネルが、端末が移動して来たことによってその無線チャネルが使用状態になる。 このため、ある時点で空き状態と判定された無線チャネルをコグニティブラジオの無線機が使用し続けると、移動して来た端末に干渉を与えてしまう恐れがある。

特許文献１に開示されている従来技術では、無線チャネルの空き状態は変動することが少ないため、コグニティブ端末が無線チャネルを使用できる期間（以下、これを「有効期間」と称する）に関しては考慮されていなかった。 したがって、無線チャネルの空き状態が変動するような無線システムが存在する環境に特許文献１に開示された技術を適用した場合、これらのシステムに干渉を及ぼす恐れがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、無線チャネルの空き状態が変動する既存の無線システム環境下においてコグニティブラジオの無線機がコグニティブ通信を行う場合に、既存の無線システムに干渉を与えることがないコグニティブ通信システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明のコグニティブ通信システムは、他の無線機器に割り当てられた無線チャネルが使用中か空き状態かを検出する無線チャネル検出手段と、前記無線チャネル検出手段で空き状態と検出された無線チャネルを用いて通信を行う無線端末と、空き状態の無線チャネルを使用できる期間に関する情報を保持するデータベース装置と、前記データベース装置と接続し、通信に使用する無線チャネルの割り当て要求を前記無線端末から受けた場合、前記データベース装置を参照し、割り当てる無線チャネルの情報と共に、前記期間に関する情報を前記無線端末に供給する無線基地局とを備えたことを特徴とする。

また、本発明のコグニティブ通信方法は、他の無線機器に割り当てられた無線チャネルが現在使用中か空き状態かを検出し、空き状態とされた無線チャネルを使用できる期間に関する情報を推定し、空き状態の無線チャネルを使用できる期間をデータベース装置に保持し、通信に使用する無線チャネルの割り当て要求を無線端末から受けた場合、前記データベース装置を参照し、割り当てる無線チャネルの情報と共に、前記期間に関する情報を前記無線端末に供給することを特徴とする。

本発明によれば、無線チャネルの空き状態が変動する既存の無線システム環境下においてコグニティブラジオの無線機がコグニティブ通信を行う場合でも、既存の無線システムに対して干渉を及ぼすことがない。

以下、図面を参照して、本発明の最良な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明のコグニティブ通信システムの概略構成図を示す図である。 コグニティブ通信システムは、放送システムやレーダシステム、さらにはセルラーシステム、無線ＬＡＮシステムなど既存の無線システムで管理している無線チャネルの内、現在使われていない無線チャネルを認識（ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ）し、他の既存の無線システムに干渉を与えないように無線チャネルを利用することで周波数利用効率を上げるシステムである。

（実施例１）
図１において、コグニティブ通信システムは、コグニティブ通信用の無線基地局（以下、「コグニティブ無線基地局」と称する）１００４，１０１３、コグニティブ無線基地局と接続して無線チャネル利用状況の情報を保持するデータベース装置１００８，１０１４、コグニティブ無線基地局と無線接続可能で、コグニティブラジオ機能を持つ無線端末（以下、「コグニティブ無線端末」と称する）１００５，１００６，１００７，１０１５によって構成される。 データベース装置１０１１は、各コグニティブ通信システム１００１，１０１２のデータベース装置１００８，１０１４を統合するものである。 データベース装置１０１１は、既存の無線システム（例えば、セルラーシステム、無線ＬＡＮシステム、気象レーダ、電波天文）が利用している周波数のデータベースを持つ。 例えば、セルラーシステムに割り当てられている周波数帯、無線ＬＡＮシステムに割り当てられている周波数帯、気象レーダが使用している周波数やスイープする周期、電波天文が観測している周波数などが保持されている。

図１に示した例では、コグニティブ通信システム１００１は、セルラーシステム１００２、無線ＬＡＮシステム１００３、電波天文に用いるアンテナ１００９、気象レーダ１０１０が存在する環境下でコグニティブ通信を行うことを想定している。

図２は、コグニティブ無線端末１００５〜１００７の概略構成を示すブロック図である。 コグニティブ無線端末１００５〜１００７は、コグニティブ無線端末間どうしや、コグニティブ無線基地局１００４，１０１３を介してコグニティブ通信システム内の他の端末と通信を行う。

図２において、コグニティブ無線端末は、無線信号を送受するアンテナ１０１、受信した信号を復調すると共に、送信する信号を変調するモデム部１０７、モデム部１０７を制御し、必要なパラメータを設定するパラメータ設定部１１１、送信すべき信号を生成すると共に、復調した信号を図示しないユーザインターフェース部へ供給する情報生成部１０８、無線チャネルをスキャンするための電波監視部１０２、受信信号の振幅変動や周波数特性を検出する統計処理部１０３、受信した信号の変調方式などを推定するメディア推定部１０４、無線チャネルの空き時間を推定する有効期間推定部１０５、既存の無線システムの種類と周波数に関する情報（例えば、セルラーシステム、無線ＬＡＮ、気象レーダ、電波天文等で使用される周波数帯、アクセス方式、スロット間隔、フレーム間隔等）を保存する無線システムデータベース１０９、検出した無線チャネルの空き状態等を一時保存する無線チャネルデータベース１０６、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部１１０で構成される。

以下、各部の動作について説明する。

まず送信時において、例えば、音声通話であれば、情報生成部１０８は図示しないユーザインターフェースからの音声をデジタル化してモデム部１０７に出力する。 インターネットアクセスであれば、情報生成部１０８はインターネットブラウザによるデータの送受を行う。 ユーザが介在する通常の通信においては、情報生成部１０８でデータが生成され、そのデータがモデム部１０７に出力される。 モデム部１０７はデータを無線変調し、アンテナ１０１に供給する。 一方、アンテナ１０１から受信されたユーザーデータは、モデム部１０７で復調され、復調されたデータは情報生成部１０８に渡される。 パラメータ設定部１１１は、無線端末がコグニティブ通信を行うのに必要な機能で、他のシステムに割り当てられた無線チャネルのうち、空き状態の無線チャネルを使用して通信を行うためにモデム部１０７に対して、空き状態の無線チャネル（無線周波数）、変調方式、送信電力などのパラメータを設定する。 さらに、パラメータ設定部１１１は、後述する空きチャネルの無線周波数を使用できる期間を把握しており、この期間に基づきモデム部１０７を制御する。

電波監視部１０２は、スキャンする無線チャネルがセットされ、アンテナ１０１で受信した信号をベースバンドに変換する。 スキャンする無線チャネルは、コグニティブ無線基地局から指示される。 例えば、端末が電源を投入した際に、後述する図５に示すような周波数帯域の空き状態をスキャンするようにコグニティブ無線基地局から指示を受ける。

統計処理部１０３は、ベースバンド信号の振幅変動特性と周波数特性を検出する。 メディア推定部１０４は、統計処理部１０３の処理結果から、電波監視部１０２でスキャンした無線チャネルの空き状態を検出すると共に、その無線チャネルが使用されている無線システムのアクセス方式の識別、変調方式の識別、通信が音声であるかデータであるかの識別を行う。 さらに、データ通信の場合、その通信がどの程度無線チャネルを占有しているか、通信していない時間はどの程度なのか、等の値を計算する。 これらの情報は有効期間推定部１０５に供給される。 有効期間推定部１０５は、スキャンしている無線チャネルが空きの状態であると判断したとき、その空き情報は何時まで有効であるかを決定する。 スキャンした周波数チャネルが空いているか、また、推定したメディアとその有効期間は無線チャネルデータベース１０６に書き込まれる。

無線システムデータベース１０９は、予め、コグニティブ無線基地局１００４のデータベース装置１００８から、無線システムデータベース１０９に保存された無線システムの種類に関する情報（例えば、セルラーシステム、無線ＬＡＮ、気象レーダ、電波天文等）を取得し、スキャンした無線チャネルがどのシステムに属するものかを把握するのに用いられる。 ＧＰＳ部１１０は、既知のＧｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍを用いて無線端末の位置を同定する。 同定した位置情報は、情報生成部１０８に供給され、モデム部１０７を介してコグニティブ無線基地局１００４に送られる。

図３は、電波監視部１０２、統計処理部１０３及びメディア推定部１０４の詳細構成を示すブロック図である。

電波監視部１０２は、ＲＦ・アナログ部２０８、Ａ／Ｄ変換部２０１と直交復調部２０２で構成される。 ＲＦ・アナログ部２０８は、検出した信号を増幅し、ダウンコンバートする。 増幅及びダウンコンバートされた信号は、Ａ／Ｄ変換部２０１でデジタル信号に変換される。 直交復調部２０２はデジタル信号を直交復調する。 直交復調されたベースバンド信号は、実部信号と虚部信号に分離される。

統計処理部１０３は、振幅変動検出部２０３と周波数特性検出部２０４に入力されたベースバンド信号を、時間軸方向（振幅変動）と周波数軸方向の統計処理を行う。 直交復調されたベースバンド信号は、振幅変動検出部２０３でベースバンド信号の振幅変動が検出される。 一方、直交復調されたベースバンド信号は、周波数特性検出部２０４でフーリエ変換され周波数特性が検出される。 統計処理部１０３で検出された振幅変動特性と周波数特性は、メディア推定部１０４に入力される。

メディア推定部１０４は、無線チャネル連続空き時間推定部２０６、アクセス方式推定部２０７、変調方式推定部２０８、音声・データ識別部２０９で構成される。 無線チャネル連続空き時間推定部２０６は、スキャンした無線チャネルが空き状態か使用状態かを検出すると共に、空き状態であればどの位の時間空き状態であるのかを推定する。 無線チャネルの空き状態の検出は、振幅変動検出部２０３から出力される受信信号の振幅値とＲＦ、アナログ部２０８で発生する熱雑音のレベルを比較し、受信信号が熱雑音のレベルと等しければ無線チャネルが空き状態と判断する。 無線チャネル連続空き時間推定部２０６はタイマーを備えており、空き状態が連続して検出された時間をタイマーで測定し、測定された時間を無線チャネル連続空き時間と推定する。 判定した結果は無線チャネルデータベース１０６と共にアクセス方式２０７にも入力される。

アクセス方式推定部２０７は、変調方式推定部２０８で推定された変調方式から、無線システムのアクセス方式を推定する。 アクセス方式の推定は、推定した変調方式と無線チャネルで無線システムデータベース１０９を参照して行なわれる。 例えば、セルラーシステムが使用している無線チャネルで、セルラーシステムが使用している変調方式が推定されたら、そのセルラーシステムのアクセス方式を無線データベース１０９から参照し、アクセス方式を決定する。 また、アクセス方式がＴＤＭＡであれば、スロット間隔やフレーム間隔もデータベース１０９から参照する。

変調方式推定部２０８は、振幅変動特性と周波数特性から変調方式を推定する。 変調方式の推定方法として、サイクロステーショナリ（周期定常性）統計として知られている推定法や、振幅の瞬時値の尖度を用いた推定法、フーリエ変換から得られるスペクトラムの形状を用いた推定法などを用いる。 推定結果は、アクセス方式推定部２０７と音声データ識別部２０９に供給される。 音声・データ識別部２０９は、推定された変調方式と振幅特性と周波数特性から、調波構造やケプストラム解析を用いてスキャンしている信号が音声であるか否かを判定する。 有効期間推定部１０５には、無線チャネル連続空き時間推定部２０６、アクセス方式推定部２０７の出力、音声・データ識別部２０９の出力が供給される。

図４は、有効期間推定部１０５の動作を説明するためのフローチャートである。 無線チャネル連続空き時間推定部２０６における判定の結果、空き状態の無線チャネルがあると判定された場合、有効期間推定部は、アクセス方式推定部２０７からの入力により、無線システムのアクセス方式が例えばＴＤＭＡ（時分割多重アクセス方式）であるか否かをチェックする（ステップＳ３０１）。 無線システムデータベース１０９から参照した結果アクセス方式がＴＤＭＡであれば、無線システムデータベース１０９から参照したスロット間隔の長さを有効期間と推定する（ステップＳ３０２）。

一方、アクセス方式がＴＤＭＡで無い場合は、音声・データ識別部２０９からの入力により、受信した信号が音声か否かを判断する（ステップＳ３０３）。 信号が音声であれば、無音期間を有効期間と推定する（ステップＳ３０４）。 信号が音声でなければ、無線チャネル連続空き時間推定２０６からの入力により、連続空き時間を有効期間と推定する（ステップＳ３０５）。

メディア推定部１０４で推定された無線チャネルの状態（空き状態か使用中か）、アクセス方式、音声かデータかの区別、さらには無線システムデータベース１０９に保存された無線システムの種類に関する情報（例えば、セルラーシステム、無線ＬＡＮ、気象レーダ、電波天文等）、有効期間推定部１０５で推定された空きと判断された無線チャネルの空き状態の期間（有効期間）は、無線チャネルデータベース１０６に供給され、一時的に保存される。 この保存された結果は、モデム部１０７を介してコグニティブ無線基地局１００４に送信される。

なお、コグニティブ無線端末が無線チャネルデータベース１０６を持たない場合、メディア推定部１０４と有効期限推定部１０５の推定結果は、直接モデム部１０７を介してコグニティブ無線基地局１００４に送信される。 コグニティブ無線基地局１００４は、コグニティブ無線端末から送信された情報をデータベース装置１００８に書き込む。 データベース装置１００８には、各コグニティブ無線端末から送信された情報が集まり、保存される。

図５はデータベース装置１００８に保存された情報のテーブル構成を示す図である。 図５に示すテーブルの項目は、スキャンした周波数帯、スキャンした位置（経度、緯度）、スキャンした無線チャネルの空き情報（使用中か、空き状態か）、スキャンした無線チャネル上で通信されているメディア（例えば音声またはデータ）及び、推定されたアクセス方式（例えば、ＴＤＭＡまたはＣＤＭＡ）、無線システムの種類（例えばセルラーシステム、無線ＬＡＮシステム、気象レーダシステム、電波天文観測システム）、空きの無線チャネルを使用できる期間（有効期間）により構成されている。 無線チャネルの使用有効期間は、データベース装置１００８に登録されると、図示しないタイマーが起動し、タイマーに従って有効期間はカウントダウン（減少）されていく。 スキャンした位置（緯度・経度）は、コグニティブ無線端末に搭載されたＧＰＳ部１１０で測定したがコグニティブ無線端末の位置情報をコグニティブ無線基地局に通知することで取得できる。 コグニティブ無線端末にＧＰＳを搭載していない場合は、複数のコグニティブ無線基地局による三角測量等でコグニティブ無線端末の位置を特定する。

図６は、コグニティブ無線基地局の概略構成を示すブロック図である。 図６において、アンテナ６０１は、コグニティブ無線端末との間で通信を行うための送受信アンテナである。 無線送受信部６０２は、受信した信号を復調すると共に、送信する信号を変調する。 情報検出部６０３は復調した信号から必要な情報を取り出し、データベース装置１０１４へ供給する。 インターフェース部はデータベース装置１０１４とのインターフェースとして機能する。 情報生成部６０５は、データベース装置１０１４を参照し、取得した情報を無線送受信部６０２へ供給する。

図７は、コグニティブ無線端末１００５とコグニティブ無線端末１００６間で通信を開始するシーケンス図である。 図７を用いてコグニティブ無線基地局の動作も説明する。 コグニティブ無線端末１００５，１００６はそれぞれ、無線チャネル割り当てを、コグニティブ無線基地局１００４に要求する（ステップＳ５０１，Ｓ５０２）。 コグニティブ無線基地局１００４は、無線送受信部６０２と情報検出部６０３を通じて割り当て要求があったことを認識し、要求があったコグニティブ無線端末が位置（緯度、経度）する場所において空き状態にある無線チャネルの周波数をデータベース装置１００８内のテーブルを参照し、検索する。 前述の図５を例にして説明すると、コグニティブ無線端末１００５，１００６の緯度経度がそれぞれ（３５．４３，１３９．４５），（３５．４１，１３９．４５）であるとき、この二つのコグニティブ無線端末が位置する場所で無線チャネルが空いている周波数帯は、５．１５ＧＨｚ〜５．２ＧＨｚであることが分かる。

コグニティブ無線基地局１００４の情報生成部６０５は、検索した結果である空き状態の周波数チャネルの情報（５．１５ＧＨｚ〜５．２ＧＨｚ）と共に、この周波数の有効期間の情報もインターフェース部６０４を介して併せて取得する。 図５のテーブルによると、この周波数の有効期間は、緯度経度が（３５．４３，１３９．４５）のコグニティブ無線端末１００５は２．５秒、緯度経度が（３５．４１，１３９．４５）のコグニティブ無線端末１００６は２秒である。 コグニティブ無線基地局１００４の情報生成部６０５は、短い方の有効期間である２秒を有効期間としてコグニティブ無線端末１００５，１００６に供給する（ステップＳ５０３、Ｓ５０４）。 コグニティブ無線端末１００５，１００６は、供給された周波数チャネルの情報と有効期間の情報を受信し、モデム部１０７で復調し、解析する。 解析された情報はパラメータセット部１１１に供給され、供給された周波数チャネルの情報に基づいてモデム部１０７の各パラメータをセットし、割り当てられた無線チャネルを用いて通信を開始する（ステップＳ５０５）。 パラメータセット部１１１はさらにタイマーを備えており、コグニティブ無線基地局１００４から供給された有効期間の情報に基づいて、タイマーのカウントダウンを始める。 そして通信開始から２秒経過すると（ステップＳ５０６）、パラメータセット部１１１はモデム部１０７を制御して通信を終了させる（ステップＳ５０７）。 なお、ステップＳ５０１からＳ５０４までに要する時間は有効期間に比べて無視できるものとして説明したが、パラメータセット部１１１は、ステップＳ５０１からＳ５０４までに要する時間を考慮し、この時間を有効期間から差し引いてモデム部１０７を制御してもよい。

以上のように本実施例によれば、既存の無線システムに割り当てられた無線チャネルの中で空き状態の無線チャネルを検出すると共に、空き無線チャネルの有効期間を推定しこれをデータベース装置で保存する。 そして、端末が通信を開始する際、端末は有効期間の情報を受け、この有効期間に限って通信を行う。 これにより、他の既存の無線システム、特に無線チャネルの空き状態が変動するような既存の無線システムへの干渉を抑えることができる。

（実施例２）
図８は、データベース装置１００８に保存された情報のテーブル構成の変形例を示す図である。 図８に示すように、位置情報（経度・緯度）の代わりに無線チャネルをスキャンしたコグニティブ無線端末の識別子を登録する。 コグニティブ無線端末１００５，１００６がコグニティブ無線基地局１００４に無線チャネル割り当てを要求したとき、コグニティブ無線基地局１００４は、要求した無線端末の識別子を取得し、データベース装置１００８に保存する。 コグニティブ無線基地局１００４は、この識別子をキーにして両方の端末が使える周波数を検索し、空きチャネルを割り当てる。 図８では、２．４ＧＨｚ〜２．４２ＧＨｚの周波数がコグニティブ無線端末１００５，１００６で空き（未使用）と検出されているので、有効期間と共にこの周波数を割り当てる。

このように本実施例によれば、無線端末の位置情報が必要ないのでシステム（特に無線端末の構成）を簡略化できると共に、空き無線チャネルの割り当てを簡略化できる。

（実施例３）
図９は、本実施例を説明するためのシーケンス図である。 前述したデータベース装置１００８に登録された有効期間がカウントダウンされて０になると、コグニティブ無線基地局１００４は、有効期間が切れた位置（緯度・経度）と周波数をデータベース装置１００８から特定する（ステップＳ８０１）。 そして、コグニティブ無線基地局１００４は、有効期間が切れた位置に存在するコグニティブ無線端末１００５に対して、特定された周波数をスキャンするように指示する（ステップＳ８０２）。 指示されたコグニティブ無線端末１００５は、指示された周波数帯をスキャンし、その結果をコグニティブ無線基地局１００４に報告する（ステップＳ８０３、Ｓ８０４）。 この様にすることで、コグニティブ無線端末が無駄な周波数スキャンをせずに済み、スキャンに要する消費電力を削減することができる。 また、スキャン間隔が長すぎると、無線チャネルが空いていないのに、空いていると誤認識してしまい、無線チャネル上で衝突（同時送信）が起きてしまう。 しかし、有効期間を設定することによりスキャン間隔が最適になり、無線チャネル上の衝突（同時送信）を減少させることができるので、周波数利用効率を向上させることができる。 同様に、実施例２では、データベース装置に位置情報（緯度・経度）の代わりに無線チャネルをスキャンしたコグニティブ無線端末が登録されているので、そのコグニティブ端末に無線チャネルをスキャンさせるようにすればよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。 例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。 さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係るコグニティブ通信システムの概略構成図を示す図。

コグニティブ無線端末の概略構成を示すブロック図。

コグニティブ無線端末の電波監視部、統計処理部及びメディア推定部の詳細構成を示すブロック図。

有効期間推定部の動作を説明するためのフローチャート。

データベース装置１００８に保存された情報のテーブル構成を示す図。

コグニティブ無線基地局の概略構成を示すブロック図。

コグニティブ無線端末とコグニティブ無線端末間で通信を開始する際のシーケンス図。

本発明の実施例２に係るデータベース装置１００８に保存された情報のテーブル構成の変形例を示す図。

本発明の実施例３に係るコグニティブ無線基地局１００４とコグニティブ無線端末間の周波数スキャンに関するシーケンス図。

符号の説明

１００４，１０１３・・・コグニティブ無線基地局１００５，１００６，１００７，１０１５・・・コグニティブ無線端末１００８，１０１１，１０１４・・・データベース装置１０１・・・アンテナ１０２・・・電波監視部１０３・・・統計処理部１０４・・・メディア推定部１０５・・・有効期間推定部１０６・・・無線チャネルデータベース１０７・・・モデム部１０８・・・情報生成部１０９・・・無線システムデータベース１１０・・・ＧＰＳ部１１１・・・パラメータ設定部