コグニティブ無線通信方法
【課題】周波数検出を行うことができ、制御メッセージを直接的に送受信可能で、しかも周波数割り当てを好適に行う。
【解決手段】ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレーム３１を連続させるとともに、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレーム３２が上記連続する第１のＭＡＣフレーム３１間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別することを特徴とする。
【解決手段】ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレーム３１を連続させるとともに、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレーム３２が上記連続する第１のＭＡＣフレーム３１間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メッシュネットワークにおいてチャネルホッピングを行うためのＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において周波数の有効利用しつつ無線通信を行う方法としてコグニティブ（Cognitive）無線通信技術が近年において注目されている。コグニティブ無線通信とは、限定された周波数リソースを再活用してより効率的に周波数リソースを使用する技術である。即ち、コグニティブ無線通信によれば、セカンダリネットワークに属するデバイスは、プライマリネットワークにおいて使用されていない周波数リソースを周期的または非周期的にセンシングして使用可能な周波数リソースを認知し、認知された使用可能な周波数リソースを利用してデータを送受信するものである。
【０００３】
コグニティブ無線では、もともとある通信帯域を使用する優先ネットワーク（プライマリネットワーク）と、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うコグニティブシステム(セカンダリネットワーク)が存在する。基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行う。セカンダリネットワークは、上述したプライマリネットワークとしてのテレビシステムに割り当てられている周波数を使用することが前提となる。この中でも、特にこのセカンダリネットワークでは、自身が判断して周波数を利用して通信を行うデバイスがあり、例えば自らの位置情報と、当該位置において利用可能なプライマリネットワークの周波数に関する情報を取得することができるデバイスがある。また、このセカンダリネットワークでは、このような位置情報やプライマリネットワークの周波数情報を取得することができない場合には、他のデバイスによる制御の下で通信を行うものもある。
【０００４】
ところで、無線通信により特にメッシュネットワークで通信を行う場合に、ＭＡＣプロトコルは重要な役割をはやす。ＭＡＣプロトコルは、各デバイスがどのように有限な無線通信帯域幅資源を共有するかを定義するものである。
【０００５】
しかしながら、上述のようなコグニティブ無線通信のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準（例えば、非特許文献１参照。）のメッシュネットワークにおいて定義されているＭＡＣプロトコルは従来において存在しなかった。コグニティブ無線通信に、独自のメッシュネットワークのＭＡＣプロトコルを応用するとき、以下に説明するような問題点があった。
【０００６】
従来のＭＡＣプロトコルには、チャネル検出のための機能が無かった。このため、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの各メッシュノードは、プライマリユーザの状況に関する情報を取得することができなかった。このため、プライマリユーザとの間で通信衝突を起こしてしまう危険性があった。
【０００７】
従来のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のＭＡＣプロトコルには、有効な周波数チャネルに直接的にアクセスするためのアルゴリズムが存在しなかったため、ネットワークの制御を行うことができなかった。
【０００８】
また、従来のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のＭＡＣプロトコルには、コグニティブ無線通信を行うにあたり、周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムが存在しなかった。このため、データ送信のスケジューリングを行うことができないという問題点があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】IEEE standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE 802.16-2004
【非特許文献２】Peng-Yong Kong, Jaya Shankar Pathmasuntharam, Haiguang Wang, Yu Ge, Chee-Wei Ang, Wen Su, Ming-Tuo Zhou and Hiroshi Harada, "A Routing Protocol for WiMAX Based Maritime Wireless Mesh Networks", IEEE 69th Vehicular Technology Conference VTC 2009 Spring, 26-29 April 2009, Barcelona, Spain.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は以下の３点にある。
【００１１】
先ず第１番目としては、メッシュネットワークのＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準において、周波数検出機能が実装されていないこと。
【００１２】
第２番目としては、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークにおいて制御メッセージを直接的に送受信するためのアルゴリズムが存在せず、一のチャネルを通じて制御メッセージを送信した場合に、他のチャネルにより動作している隣接ノードによって受信されない虞もあった。
【００１３】
第３番目としては、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークでは、コグニティブ通信を行う上での周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムが存在せず、周波数の割り当てを行うことができなかった。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークにおいて、コグニティブ通信を行う際に、周波数検出を行うことができ、制御メッセージを直接的に送受信可能で、しかも周波数割り当てを好適に行うことが可能なコグニティブ無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、上述した課題を解決するために、以下の構成からなるコグニティブ無線通信方法を発明した。
【００１６】
先ず第１番目の問題点に対しては、フレーム構造の中に周波数チャネルの検出を行うことが可能なチャネル検出期間を導入することとした。
【００１７】
また、第２番目の問題点に対しては、制御メッセージを送信するために、周波数チャネルを直接的にアクセスするアルゴリズムを提案している。いくつかの有効チャネルを持つコグニティブメッシュノードは、ネットワークから各種メッセージを受信するための平等な機会を持っているものと考える。周波数の割り当てメッセージは、可能な限り多くの隣接ノードによって受信され、通信衝突を減少することが可能となる。
【００１８】
また、第３番目としては、有効なチャネルの周波数割り当てのアルゴリズムを提案することとした。
【００１９】
即ち、請求項１記載のコグニティブ無線通信方法は、ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレームを連続させるとともに、上記制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレームが上記連続する第１のＭＡＣフレーム間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、上記検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別することを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１記載の発明において、隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するための情報要素（ＩＥ）を含めて送信することを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記制御用サブフレームを構成する制御用スロットにおいて、全てのメッシュノードは、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも一のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスし、それ以外の場合には、制御スロットの形式に基づいて他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、各ノードにおいて全ての周波数チャネルにつきミニスロットの有効性がそれぞれ記述されるテーブルを保有し、隣接ノードにおける周波数の割り当てを当該テーブルを参照しつつ実行することを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１〜４のうち何れか１項記載の発明において、更にデータ用サブフレームの先頭において周波数チャネルを検出するための検出期間を設け、当該検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定していたフレームデータの送信を中止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
上述した構成からなる本発明によれば、メッシュネットワークのＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準において、コグニティブ無線通信を行う際に周波数検出を行うことができるため、通信衝突が生じてしまうのをより低減させることが可能となる。
【００２５】
また、制御メッセージを直接的に送受信するためのアルゴリズムが存在するため、一のチャネルを通じて制御メッセージを送信した場合に、他のチャネルにより動作している隣接ノードによって受信されることが可能となり、コグニティブ無線通信を行う際に通信衝突が生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００２６】
更に、本発明よれば、コグニティブ通信を行う上での周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムにより、周波数の割り当てを効率的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用したコグニティブ無線通信システムの構成図である。
【図２】本発明において実際に送受信するフレームデータの構造を示す図である。
【図３】制御スロットのスロット番号を計算する方法を示す図である。
【図４】テーブルＴｉの具体的な構造を示す図である。
【図５】海上のコグニティブメッシュネットワークのシミュレーションモデルを示す図である。
【図６】シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１の構成を示している。ちなみに図１(a)は、コグニティブ無線通信システム１を網目状に配列されたノード１２、これらノード１２にアクセスを試みるＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯情報端末等で構成されるデバイス１１とを備えた、いわゆるメッシュネットワークである。また、このコグニティブ無線通信システム１は、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準を採用するものである。
【００３０】
このコグニティブ無線通信システム１は、もともとある通信帯域を優先的に使用するプライマリネットワークと、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うセカンダリネットワークが存在する。即ち、このセカンダリネットワークは、正式な規格において未だ認可されていないものであり、あくまでプライマリネットワークにより使用されていない周波数帯域を選択的に使用して通信を行うものである。
【００３１】
基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行うことが前提となる。ちなみに、このコグニティブ無線通信システム１では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｆの規定の下で、図示しない電波塔からテレビジョン受像機に向けてテレビジョン用の電波が放射されていることが前提となる。
【００３２】
次に、このようなコグニティブ無線通信システム１の動作について図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００３３】
図２は、本発明において実際に送受信するフレームデータの構造を示している。データ構造においては、第１のＭＡＣフレーム３１を所定数に亘って連続させるとともに、第２のＭＡＣフレーム３２をこの第１のＭＡＣフレーム３１間に所定周期で挿入させてなる。この図２の例では、Ｋフレーム毎に第２のＭＡＣフレーム３２を挿入する例である（ここでＫは、０を除く整数）。第１のＭＡＣフレーム３１は、制御用サブフレームｎＣＳと実データが記述されるデータ用サブフレームｆＤＳとを備えている。また第２のＭＡＣフレーム３２は、制御用サブフレームｓＣＳと混合サブフレームｍＤＳとを備えている。
【００３４】
混合サブフレームｍＤＳは、実データが実際に記述されるデータ期間３５並びに周波数チャネルを検出するための検出期間３６とが混合されてなる。この混合サブフレームｍＤＳでは、データ期間３５、検出期間３６の順に配列されているが、これに限定されるものではない。
【００３５】
制御用サブフレームｓＣＳは、制御スロット４１に細かく分割されている。この制御スロット４１に実際の制御メッセージが記述されることになる。また、データ用サブフレームｆＤＳは、更にミニスロット４２に分割され、実データは、かかるミニスロット４２に実際に記述されることになる。
【００３６】
本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１では、一のノード１２から隣接ノード１２へ向けて上述した構造からなるフレームデータを送信する。このフレームデータでは、第２のＭＡＣフレーム３２における混合サブフレームｍＤＳにおいて検出期間３６が設けられていることから、当該検出期間３６を通じて他の周波数チャネルを検出することが可能となる。このため、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの各ノード１２は、プライマネットワークの通信状況をこの周波数チャネル検出を介して識別することが可能となる。その結果、セカンダリネットワークとプライマリネットワークとの間で通信衝突を起こしてしまうのを防止することが可能となる。
【００３７】
このとき、実際に隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するために、ＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージの全てにおいて情報要素（ＩＥ）を含めるようにしてもよい。その結果、このコグニティブメッシュノードは、一つのチャネルを合わせる回数が１ｈｏｐとしたときに１ｈｏｐ〜２ｈｏｐｓの隣接ノードの全てから検出結果を取得することが可能となる。
【００３８】
また本発明では、以下に説明するチャネルホッピングのアルゴリズムを用いるようにしてもよい。
【００３９】
制御用サブフレームｓＣＳ、ｎＣＳを構成する制御用スロット４１において、全てのメッシュノード１２は、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも１のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスするようにしてもよい。そして、それ以外の場合には、制御スロット４１の形式に基づく他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うようにしてもよい。
【００４０】
以下、この処理ステップの詳細について説明をする。
【００４１】
第１のステップでは、周波数チャネルの総数をカウントする。そして、チャネル用帯域を分割して低い順から、チャネルＣ0〜チャネルＣNc-1までチャネル番号を付す。
【００４２】
第２のステップでは、異なる形式の制御スロット４１の数をカウントし、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの周波数分割スキームを考慮し、制御スロット４１を３つのタイプ（一つはＭＳＨ−ＮＥＮＴ、一つはＭＳＨ−ＮＣＦＧ、一つはＭＳＨ−ＤＳＣＨに分類する。図３は、制御スロット４１のスロット番号を計算する方法を示している。ここで参照時間（０）とは、制御用サブフレームの開始時間である。Ｎfrmは、参照時間（０）から、スロット番号が付されたフレームの数を示している。Ｎctrは、現フレームの開示時刻（ｔ0）と、当該現フレーム内にある現スロットの開始時間（ｔc）間にある制御スロット４１の数である。フレームの連続期間がＴfであり、制御スロットの連続期間がＴsであるとき、Ｎfrm＝ｔc ＤＩＶ Ｔf、Ｎctr＝（ｔc−Ｎfrm×Ｔf）ＤＩＶ Ｔs
【００４３】
制御スロットの形式は、以下の方法によって知ることが可能となる。
【００４４】
ａ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）！＝０であるとき、ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージのための制御スロット４１になる。
ｂ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）＝０であり、またＮctr＞０であるとき、ＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージのための制御スロット４１になる。
ｃ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）＝０であり、またＮctr＝０であるとき、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージのための制御スロット４１になる。
【００４５】
上述したａ）〜ｃ）において、Ｌは、制御用サブフレームの期間である。
【００４６】
ＭＳＨ−ＮＥＮＴ、ＭＳＨ−ＮＣＦＧ、ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージのための制御スロットのスロット番号（Ｎent、Ｎcfg、Ｎsch）は、以下の式により算出される。
Ｎsch＝（Ｎfrm−Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ−１）×Ｎs＋Ｎctr
Ｎcfg=Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ×（Ｎs−１）＋Ｎctr−１
Ｎent=Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ
【００４７】
ここでＮsは、フレームにおける制御スロット４１の数である。
全てのメッシュノードがアクセスを試みるチャネル番号は、Ｃｉ＝（Ｎsch or Ｎcfg
or Ｎent) ＭＯＤ Ｎcで表される。
【００４８】
第３のステップにおいて、コグニティブ無線通信モードで、第２のステップにおいてアクセスを試みた周波数チャネルが有効である場合、ノード１２は当該周波数チャネルでアクセスしようとする。これに対して、第２のステップにおいてアクセスを試みた周波数チャネルが有効でない場合、ノード１２は、制御スロット４１の形式に基づき、他の有効な周波数チャネルでアクセスを試みる。
【００４９】
例えば、制御スロット４１は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴ、ＭＳＨ−ＮＣＦＧ、ＭＳＨ−ＤＳＣＨの各メッセージを伝達する機会があるのであれば、ノード１２は、有効な周波数チャネルの一つをランダムに選択するようにしてもよい。また、仮に制御スロット４１がＭＳＨ−ＤＳＣＨを送信するためのものであれば、ノード１２は、最大チャネル有効度（ＣＡＤ：Channel Availability Degree）を持つ周波数チャネルの一つを選択する。仮に最大ＣＡＤを持つ周波数チャネルがいくつか存在する場合には、チャネル番号の最も小さい周波数チャネルを選択する。ここで、チャネル有効度ＣＡＤは、チャネルが有効であると報告された隣接ノード１２の数として定義される。
【００５０】
また、本発明では、以下に説明する制御メッセージのスケジューリング方法を実行するようにしてもよい。
【００５１】
ａ）ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージのために、ノード１２は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージをランダムに選択する。そして、ノード１２は、これからアクセスを試みようとするチャネル番号を計算する。仮にそのチャネルが、係るノード１２並びにネットワークエントリーのために提供されるスポンサーノードにおいて有効でない旨が報告された場合、そのノード１２は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージをランダムに選択する。そして、係るノード１２とスポンサーノードの双方で有効であるチャネルが見つかるまで上述のフローを繰り返し実行する。
【００５２】
ｂ）ＭＳＨ−ＮＣＦＧとＭＳＨ−ＤＳＣＨの各メッセージを処理するとき、メッシュ選択のために競合ノード１２を選択する上で、アクセスを試みる周波数チャネルが有効でないノード１２は、除外される。
【００５３】
ｃ）ＭＳＨ−ＮＣＦＧの送信処理を行う際において、かかる処理を制御する制御スロットにおいてアクセスを試みようとするチャネルが、最後のＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージを送信しようとするチャネルと同一の場合、ノード１２は、互いに重複するＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージを繰り返し送信するのを防止する観点から、次のＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージの送信機会を検討する。
【００５４】
ｄ）ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを処理する上で、仮にメッセージがＭＳＨ−ＤＳＣＨ（情報要素（ＩＥ））を含む場合は以下となる。
【００５５】
目的地としてのノード１２へ向けて送信される、確認情報が付された正式なＩＥは、メッシュ選択のアルゴリズムを用いることによって、隣接ノード１２での衝突を防止することを考慮に入れて現制御スロットを確認することも行う。かかる確認処理は、目的地のノード１２へアクセスを試みるチャネルの有効性を確認する上で必要とされる。仮に、現在の制御スロットが各種の条件に合致する場合、ノード１２は、この制御スロットにおけるＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージの送信処理を行う。それ以外の場合、各種条件に合致するスロットが見つかるまで、次のＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージの送信機会を再考する。
【００５６】
また本発明では、以下に説明する周波数割り当てのアルゴリズムを適用するようにしてもよい。
【００５７】
先ず、ノード１２は、それぞれのノード１２での周波数チャネルの全てにおいてミニスロットの有効性が記述されるテーブルＴaを保有する。また、それぞれ隣接ノード１２毎にこのようなテーブルＴi（ｉ＝０、１、２、・・・、Ｎｒ−１：ここでＮｒは、隣接す
るノードの総数）を保有する。図４は、このテーブルＴｉの具体的な構造を示している。縦軸が周波数チャネル（Ｃ0、Ｃ1、・・・、ＣNc-1）、横軸がミニスロット４２のグループ（ｍｓｇ1、ｍｓｇ2、・・・、ｍｓｇN）を示している。ミニスロット４２の有効性を示す上での労力低減のため、２５６のミニスロット４２（これは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークにおいて標準化されている）がＮ個のグループｍｓｇ1、ｍｓｇ2、・・・、ｍｓｇN）に分類される。ミニスロット４２のグループのグリッドサイズは、ネットワークにおけるデータパケット通信のために、要求される最小のグリッドに基づくものとされる。
【００５８】
テーブル（ＴaとＴi）において、各セルは、一の周波数チャネルにおけるミニスロット４２のグループの有効性が記述される。仮に周波数チャネルがプライマリユーザの通信により有効でない場合には、全てのセルにおいて“プライマリユーザによって占有されている”旨の表示がされる。仮にミニスロット４２のグループがこのノード１２又はデータパケットを送受信する隣接ノード１２に割り当てられる場合、これに対応するテーブルＴa上のセルには、“セカンダリユーザによって占有されている”旨が表示される。テーブルＴaの残りのセルには、“セカンダリユーザにとって有効である”旨の表示が行われる。隣接するノードにおけるミニスロット４２のグループの割り当ては、ＭＳＨ−ＤＳＣＨを介して知ることが可能となる。
【００５９】
次に周波数チャネルの割り当て条件について説明をする。周波数チャネルを割り当てる際に、ノード１２は、テーブルＴa〜Ｔiの全てをチェックする。一のチャネルにおけるミニスロット４２のグループは、このノード１２における隣接ノードｎxとの間における送受信のために割り当てられる。この割り当てが行われるのは下記のケースである。（ａ）全てのテーブルＴa〜Ｔiにおけるセルが“セカンダリユーザによって占有されている”と記述されていない場合、（ｂ）全てのテーブルＴa〜Ｔiにおけるセルが“プライマリユーザによって占有されている” と記述されていない場合、（ｃ）テーブルＴaにおいて、他のチャネルのセルが“セカンダリユーザによって占有されている”と記述されていない場合。
【００６０】
実際の周波数チャネルの割り当て方法について以下説明をする。
【００６１】
コグニティブ通信における各メッシュノード（要求側）が、他のノード（提供側）から周波数チャネルの割り当てを要求する場合、要求側は、提供側に対して係る周波数チャネル要求リクエストを送信する。リクエストを受信した後、提供側は、即座に周波数チャネルを提供しない。あくまで次のＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付する直前に周波数チャネルを提供する。提供側は、そのＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付するとき、提供側は、有効なテーブルＴa〜Ｔiの全てをチェックする。そして、上述の方法に基づいて要求側に好適な周波数チャネルを提供する。提供側から提供された周波数チャネルを受信した後、要求側はそのテーブルの有用性について即座にチェックを行う。仮に周波数チャネルの割り当て条件が合致するのであれば、その提供を受け付ける。それ以外の場合にはかかる周波数チャネルの提供を拒絶する。
【００６２】
仮にその周波数チャネルの提供を受け付ける場合には、その有効なテーブルＴaにおいてセルにマークを入れる。またＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付した次の時点において、提供を受けた周波数チャネルを受け付けたか否かを示す確認情報を提供側に送信する。
【００６３】
提供の受信、提供に関する確認情報の送信の間の時間において、要求側が、提供側により割り当てられる周波数チャネルが重複してしまう旨の情報を受信した場合、その提供を拒絶するようにしてもよい。
【００６４】
なお、本発明では、上述した混合サブフレームｍＤＳにおける通常の信号検出に加えて、ノード１２がデータサブフレームｆＤＳにおいてデータパケットの送信を予定する場合には、そのデータサブフレームｆＤＳの先頭においてそのデータパケットの送信を行うための周波数チャネルの検出を行うようにしてもよい。ここで、検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定されていたデータパケットの送信は中止するようにしてもよい。
【実施例１】
【００６５】
本発明は、コグニティブ通信におけるＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークにおいて使用することができる。通信アプリケーションの例は、ＴＶＷＳ（White Space）の動作下における、船舶間、又は船舶と海岸間で行われる海上通信に用いられる、コグニティブＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークが先ず考えられる。それ以外には、ＷＳ（White Space）において動作する、ブロードバンドのコグニティブＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークが考えられる。
【００６６】
海上のコグニティブメッシュネットワークに本発明を適用したシミュレーションモデルを図５に示す。このシミュレーションモデルは、一般的な海上無線メッシュネットワーク又はアドホックネットワークであり、ＩＭＯ（International Maritime Organization）によって定義される交通整理スキームが用いられた狭域海上チャネルによりカバーされるものである。この通信ネットワークは二つの平行な船舶８４のレーンが存在する。一のレーンは、進行方向が東向きであり、他の一のレーンは進行方向が西向きである。それぞれのレーンは、幅２０ｋｍであり、それぞれ地上基地８５を持っている。この地上基地８５は、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュの基地局の場合には、海岸から１０ｋｍ離間した箇所に位置している。
【００６７】
本シミュレーションにおける海の状態は、３．０と６．０である。また一つのチャネルを合わせる回数が１ｈｏｐとしたときに１ｈｏｐ〜３ｈｏｐｓとしている。また６３２〜６９２ＭＨｚの範囲において全部で１０のＴＶＷＳ周波数チャネルが解析に用いられる。各チャネルの帯域幅は６ＭＨｚである。QPSK1/2は、データパケットの送信、制御パケット送信の双方において用いられる。また、ＭＲＰＴ（Maritime Routing Protocol for Triton）が経路探索用プロトコルとして用いられる（例えば、非特許文献２参照。）。
【００６８】
ＭＡＣフレームの期間は、４０ｍｓである。１のチャネルの検出のために使用される時間は、０．５ｍｓである。各シミュレーションにおいて全５１の海路のノードが海上に存在し、基地局としての地上基地８５が陸上にある。海上ノードの一つは、それぞれのシミュレーションにおける基点ノードとして選択され、目的地のノードは、地上基地８５となる。各シミュレーションの時間は６００秒である。最初の３００秒においてシステムのウォームアップを行い、次の３００秒において、選択した一のノードからＣＢＲ（Constant bit-rate）データパケットを地上基地８５へ送信する。パケットのサイズは４００バイトであり、パケットの到着までの時間は、５ｍｓである。
【００６９】
図６は、シミュレーションの結果を示している。横軸は、受信比率である。また縦軸は、送信比率で、どの程度の割合で目的地のノードへと送信することができたかの割合が示されている。これは、各海の状態（＝３．０又は６．０）と、全て３つのhop回数何れのケースにおいても見られている。ここで海の状態が３．０であって、１hopの場合に、送信比率は、１に収束されてくる。これはほぼ全てのパケットが送信成功となることを意味している。最も悪いケースでは、海の状態が６．０であって、６hopの場合である。縦軸が０．８であるときの送信比率が７０％を少し超える程度である。シミュレーションの結果から、本発明を適用したコグニティブ無線通信方法の効果を確認することが可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１ コグニティブ無線通信システム
１２ ノード
１１ デバイス
３１ 第１のＭＡＣフレーム
３２ 第２のＭＡＣフレーム
３５ データ期間
３６ 検出期間
４１ 制御スロット
４２ ミニスロット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メッシュネットワークにおいてチャネルホッピングを行うためのＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において周波数の有効利用しつつ無線通信を行う方法としてコグニティブ（Cognitive）無線通信技術が近年において注目されている。コグニティブ無線通信とは、限定された周波数リソースを再活用してより効率的に周波数リソースを使用する技術である。即ち、コグニティブ無線通信によれば、セカンダリネットワークに属するデバイスは、プライマリネットワークにおいて使用されていない周波数リソースを周期的または非周期的にセンシングして使用可能な周波数リソースを認知し、認知された使用可能な周波数リソースを利用してデータを送受信するものである。
【０００３】
コグニティブ無線では、もともとある通信帯域を使用する優先ネットワーク（プライマリネットワーク）と、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うコグニティブシステム(セカンダリネットワーク)が存在する。基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行う。セカンダリネットワークは、上述したプライマリネットワークとしてのテレビシステムに割り当てられている周波数を使用することが前提となる。この中でも、特にこのセカンダリネットワークでは、自身が判断して周波数を利用して通信を行うデバイスがあり、例えば自らの位置情報と、当該位置において利用可能なプライマリネットワークの周波数に関する情報を取得することができるデバイスがある。また、このセカンダリネットワークでは、このような位置情報やプライマリネットワークの周波数情報を取得することができない場合には、他のデバイスによる制御の下で通信を行うものもある。
【０００４】
ところで、無線通信により特にメッシュネットワークで通信を行う場合に、ＭＡＣプロトコルは重要な役割をはやす。ＭＡＣプロトコルは、各デバイスがどのように有限な無線通信帯域幅資源を共有するかを定義するものである。
【０００５】
しかしながら、上述のようなコグニティブ無線通信のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準（例えば、非特許文献１参照。）のメッシュネットワークにおいて定義されているＭＡＣプロトコルは従来において存在しなかった。コグニティブ無線通信に、独自のメッシュネットワークのＭＡＣプロトコルを応用するとき、以下に説明するような問題点があった。
【０００６】
従来のＭＡＣプロトコルには、チャネル検出のための機能が無かった。このため、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの各メッシュノードは、プライマリユーザの状況に関する情報を取得することができなかった。このため、プライマリユーザとの間で通信衝突を起こしてしまう危険性があった。
【０００７】
従来のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のＭＡＣプロトコルには、有効な周波数チャネルに直接的にアクセスするためのアルゴリズムが存在しなかったため、ネットワークの制御を行うことができなかった。
【０００８】
また、従来のＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のＭＡＣプロトコルには、コグニティブ無線通信を行うにあたり、周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムが存在しなかった。このため、データ送信のスケジューリングを行うことができないという問題点があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】IEEE standard for Local and Metropolitan Area Networks - Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, IEEE 802.16-2004
【非特許文献２】Peng-Yong Kong, Jaya Shankar Pathmasuntharam, Haiguang Wang, Yu Ge, Chee-Wei Ang, Wen Su, Ming-Tuo Zhou and Hiroshi Harada, "A Routing Protocol for WiMAX Based Maritime Wireless Mesh Networks", IEEE 69th Vehicular Technology Conference VTC 2009 Spring, 26-29 April 2009, Barcelona, Spain.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は以下の３点にある。
【００１１】
先ず第１番目としては、メッシュネットワークのＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準において、周波数検出機能が実装されていないこと。
【００１２】
第２番目としては、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークにおいて制御メッセージを直接的に送受信するためのアルゴリズムが存在せず、一のチャネルを通じて制御メッセージを送信した場合に、他のチャネルにより動作している隣接ノードによって受信されない虞もあった。
【００１３】
第３番目としては、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークでは、コグニティブ通信を行う上での周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムが存在せず、周波数の割り当てを行うことができなかった。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準のメッシュネットワークにおいて、コグニティブ通信を行う際に、周波数検出を行うことができ、制御メッセージを直接的に送受信可能で、しかも周波数割り当てを好適に行うことが可能なコグニティブ無線通信方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、上述した課題を解決するために、以下の構成からなるコグニティブ無線通信方法を発明した。
【００１６】
先ず第１番目の問題点に対しては、フレーム構造の中に周波数チャネルの検出を行うことが可能なチャネル検出期間を導入することとした。
【００１７】
また、第２番目の問題点に対しては、制御メッセージを送信するために、周波数チャネルを直接的にアクセスするアルゴリズムを提案している。いくつかの有効チャネルを持つコグニティブメッシュノードは、ネットワークから各種メッセージを受信するための平等な機会を持っているものと考える。周波数の割り当てメッセージは、可能な限り多くの隣接ノードによって受信され、通信衝突を減少することが可能となる。
【００１８】
また、第３番目としては、有効なチャネルの周波数割り当てのアルゴリズムを提案することとした。
【００１９】
即ち、請求項１記載のコグニティブ無線通信方法は、ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレームを連続させるとともに、上記制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレームが上記連続する第１のＭＡＣフレーム間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、上記検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別することを特徴とする。
【００２０】
請求項２記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１記載の発明において、隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するための情報要素（ＩＥ）を含めて送信することを特徴とする。
【００２１】
請求項３記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記制御用サブフレームを構成する制御用スロットにおいて、全てのメッシュノードは、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも一のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスし、それ以外の場合には、制御スロットの形式に基づいて他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項４記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、各ノードにおいて全ての周波数チャネルにつきミニスロットの有効性がそれぞれ記述されるテーブルを保有し、隣接ノードにおける周波数の割り当てを当該テーブルを参照しつつ実行することを特徴とする。
【００２３】
請求項５記載のコグニティブ無線通信方法は、請求項１〜４のうち何れか１項記載の発明において、更にデータ用サブフレームの先頭において周波数チャネルを検出するための検出期間を設け、当該検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定していたフレームデータの送信を中止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
上述した構成からなる本発明によれば、メッシュネットワークのＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準において、コグニティブ無線通信を行う際に周波数検出を行うことができるため、通信衝突が生じてしまうのをより低減させることが可能となる。
【００２５】
また、制御メッセージを直接的に送受信するためのアルゴリズムが存在するため、一のチャネルを通じて制御メッセージを送信した場合に、他のチャネルにより動作している隣接ノードによって受信されることが可能となり、コグニティブ無線通信を行う際に通信衝突が生じてしまうのを防止することが可能となる。
【００２６】
更に、本発明よれば、コグニティブ通信を行う上での周波数割り当てのための詳細なアルゴリズムにより、周波数の割り当てを効率的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用したコグニティブ無線通信システムの構成図である。
【図２】本発明において実際に送受信するフレームデータの構造を示す図である。
【図３】制御スロットのスロット番号を計算する方法を示す図である。
【図４】テーブルＴｉの具体的な構造を示す図である。
【図５】海上のコグニティブメッシュネットワークのシミュレーションモデルを示す図である。
【図６】シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
図１は、本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１の構成を示している。ちなみに図１(a)は、コグニティブ無線通信システム１を網目状に配列されたノード１２、これらノード１２にアクセスを試みるＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯情報端末等で構成されるデバイス１１とを備えた、いわゆるメッシュネットワークである。また、このコグニティブ無線通信システム１は、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄ標準を採用するものである。
【００３０】
このコグニティブ無線通信システム１は、もともとある通信帯域を優先的に使用するプライマリネットワークと、プライマリネットワークが使用していない周波数帯域や時間などを監視して、この情報をもとに通信を行うセカンダリネットワークが存在する。即ち、このセカンダリネットワークは、正式な規格において未だ認可されていないものであり、あくまでプライマリネットワークにより使用されていない周波数帯域を選択的に使用して通信を行うものである。
【００３１】
基本的にはプライマリネットワークは、優先的に与えられた通信帯域を常に使用することが可能であり、例えばテレビシステム等がある。セカンダリネットワークは、プライマリネットワークに干渉を与えることなく、自システム内に属するデバイスによる通信を行うことが前提となる。ちなみに、このコグニティブ無線通信システム１では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｆの規定の下で、図示しない電波塔からテレビジョン受像機に向けてテレビジョン用の電波が放射されていることが前提となる。
【００３２】
次に、このようなコグニティブ無線通信システム１の動作について図面を参照しながら詳細に説明をする。
【００３３】
図２は、本発明において実際に送受信するフレームデータの構造を示している。データ構造においては、第１のＭＡＣフレーム３１を所定数に亘って連続させるとともに、第２のＭＡＣフレーム３２をこの第１のＭＡＣフレーム３１間に所定周期で挿入させてなる。この図２の例では、Ｋフレーム毎に第２のＭＡＣフレーム３２を挿入する例である（ここでＫは、０を除く整数）。第１のＭＡＣフレーム３１は、制御用サブフレームｎＣＳと実データが記述されるデータ用サブフレームｆＤＳとを備えている。また第２のＭＡＣフレーム３２は、制御用サブフレームｓＣＳと混合サブフレームｍＤＳとを備えている。
【００３４】
混合サブフレームｍＤＳは、実データが実際に記述されるデータ期間３５並びに周波数チャネルを検出するための検出期間３６とが混合されてなる。この混合サブフレームｍＤＳでは、データ期間３５、検出期間３６の順に配列されているが、これに限定されるものではない。
【００３５】
制御用サブフレームｓＣＳは、制御スロット４１に細かく分割されている。この制御スロット４１に実際の制御メッセージが記述されることになる。また、データ用サブフレームｆＤＳは、更にミニスロット４２に分割され、実データは、かかるミニスロット４２に実際に記述されることになる。
【００３６】
本発明を適用したコグニティブ無線通信システム１では、一のノード１２から隣接ノード１２へ向けて上述した構造からなるフレームデータを送信する。このフレームデータでは、第２のＭＡＣフレーム３２における混合サブフレームｍＤＳにおいて検出期間３６が設けられていることから、当該検出期間３６を通じて他の周波数チャネルを検出することが可能となる。このため、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの各ノード１２は、プライマネットワークの通信状況をこの周波数チャネル検出を介して識別することが可能となる。その結果、セカンダリネットワークとプライマリネットワークとの間で通信衝突を起こしてしまうのを防止することが可能となる。
【００３７】
このとき、実際に隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するために、ＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージの全てにおいて情報要素（ＩＥ）を含めるようにしてもよい。その結果、このコグニティブメッシュノードは、一つのチャネルを合わせる回数が１ｈｏｐとしたときに１ｈｏｐ〜２ｈｏｐｓの隣接ノードの全てから検出結果を取得することが可能となる。
【００３８】
また本発明では、以下に説明するチャネルホッピングのアルゴリズムを用いるようにしてもよい。
【００３９】
制御用サブフレームｓＣＳ、ｎＣＳを構成する制御用スロット４１において、全てのメッシュノード１２は、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも１のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスするようにしてもよい。そして、それ以外の場合には、制御スロット４１の形式に基づく他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うようにしてもよい。
【００４０】
以下、この処理ステップの詳細について説明をする。
【００４１】
第１のステップでは、周波数チャネルの総数をカウントする。そして、チャネル用帯域を分割して低い順から、チャネルＣ0〜チャネルＣNc-1までチャネル番号を付す。
【００４２】
第２のステップでは、異なる形式の制御スロット４１の数をカウントし、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄの周波数分割スキームを考慮し、制御スロット４１を３つのタイプ（一つはＭＳＨ−ＮＥＮＴ、一つはＭＳＨ−ＮＣＦＧ、一つはＭＳＨ−ＤＳＣＨに分類する。図３は、制御スロット４１のスロット番号を計算する方法を示している。ここで参照時間（０）とは、制御用サブフレームの開始時間である。Ｎfrmは、参照時間（０）から、スロット番号が付されたフレームの数を示している。Ｎctrは、現フレームの開示時刻（ｔ0）と、当該現フレーム内にある現スロットの開始時間（ｔc）間にある制御スロット４１の数である。フレームの連続期間がＴfであり、制御スロットの連続期間がＴsであるとき、Ｎfrm＝ｔc ＤＩＶ Ｔf、Ｎctr＝（ｔc−Ｎfrm×Ｔf）ＤＩＶ Ｔs
【００４３】
制御スロットの形式は、以下の方法によって知ることが可能となる。
【００４４】
ａ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）！＝０であるとき、ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージのための制御スロット４１になる。
ｂ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）＝０であり、またＮctr＞０であるとき、ＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージのための制御スロット４１になる。
ｃ） （Ｎfrm ＭＯＤ Ｌ）＝０であり、またＮctr＝０であるとき、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージのための制御スロット４１になる。
【００４５】
上述したａ）〜ｃ）において、Ｌは、制御用サブフレームの期間である。
【００４６】
ＭＳＨ−ＮＥＮＴ、ＭＳＨ−ＮＣＦＧ、ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージのための制御スロットのスロット番号（Ｎent、Ｎcfg、Ｎsch）は、以下の式により算出される。
Ｎsch＝（Ｎfrm−Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ−１）×Ｎs＋Ｎctr
Ｎcfg=Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ×（Ｎs−１）＋Ｎctr−１
Ｎent=Ｎfrm ＤＩＶ Ｌ
【００４７】
ここでＮsは、フレームにおける制御スロット４１の数である。
全てのメッシュノードがアクセスを試みるチャネル番号は、Ｃｉ＝（Ｎsch or Ｎcfg
or Ｎent) ＭＯＤ Ｎcで表される。
【００４８】
第３のステップにおいて、コグニティブ無線通信モードで、第２のステップにおいてアクセスを試みた周波数チャネルが有効である場合、ノード１２は当該周波数チャネルでアクセスしようとする。これに対して、第２のステップにおいてアクセスを試みた周波数チャネルが有効でない場合、ノード１２は、制御スロット４１の形式に基づき、他の有効な周波数チャネルでアクセスを試みる。
【００４９】
例えば、制御スロット４１は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴ、ＭＳＨ−ＮＣＦＧ、ＭＳＨ−ＤＳＣＨの各メッセージを伝達する機会があるのであれば、ノード１２は、有効な周波数チャネルの一つをランダムに選択するようにしてもよい。また、仮に制御スロット４１がＭＳＨ−ＤＳＣＨを送信するためのものであれば、ノード１２は、最大チャネル有効度（ＣＡＤ：Channel Availability Degree）を持つ周波数チャネルの一つを選択する。仮に最大ＣＡＤを持つ周波数チャネルがいくつか存在する場合には、チャネル番号の最も小さい周波数チャネルを選択する。ここで、チャネル有効度ＣＡＤは、チャネルが有効であると報告された隣接ノード１２の数として定義される。
【００５０】
また、本発明では、以下に説明する制御メッセージのスケジューリング方法を実行するようにしてもよい。
【００５１】
ａ）ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージのために、ノード１２は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージをランダムに選択する。そして、ノード１２は、これからアクセスを試みようとするチャネル番号を計算する。仮にそのチャネルが、係るノード１２並びにネットワークエントリーのために提供されるスポンサーノードにおいて有効でない旨が報告された場合、そのノード１２は、ＭＳＨ−ＮＥＮＴメッセージをランダムに選択する。そして、係るノード１２とスポンサーノードの双方で有効であるチャネルが見つかるまで上述のフローを繰り返し実行する。
【００５２】
ｂ）ＭＳＨ−ＮＣＦＧとＭＳＨ−ＤＳＣＨの各メッセージを処理するとき、メッシュ選択のために競合ノード１２を選択する上で、アクセスを試みる周波数チャネルが有効でないノード１２は、除外される。
【００５３】
ｃ）ＭＳＨ−ＮＣＦＧの送信処理を行う際において、かかる処理を制御する制御スロットにおいてアクセスを試みようとするチャネルが、最後のＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージを送信しようとするチャネルと同一の場合、ノード１２は、互いに重複するＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージを繰り返し送信するのを防止する観点から、次のＭＳＨ−ＮＣＦＧメッセージの送信機会を検討する。
【００５４】
ｄ）ＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを処理する上で、仮にメッセージがＭＳＨ−ＤＳＣＨ（情報要素（ＩＥ））を含む場合は以下となる。
【００５５】
目的地としてのノード１２へ向けて送信される、確認情報が付された正式なＩＥは、メッシュ選択のアルゴリズムを用いることによって、隣接ノード１２での衝突を防止することを考慮に入れて現制御スロットを確認することも行う。かかる確認処理は、目的地のノード１２へアクセスを試みるチャネルの有効性を確認する上で必要とされる。仮に、現在の制御スロットが各種の条件に合致する場合、ノード１２は、この制御スロットにおけるＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージの送信処理を行う。それ以外の場合、各種条件に合致するスロットが見つかるまで、次のＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージの送信機会を再考する。
【００５６】
また本発明では、以下に説明する周波数割り当てのアルゴリズムを適用するようにしてもよい。
【００５７】
先ず、ノード１２は、それぞれのノード１２での周波数チャネルの全てにおいてミニスロットの有効性が記述されるテーブルＴaを保有する。また、それぞれ隣接ノード１２毎にこのようなテーブルＴi（ｉ＝０、１、２、・・・、Ｎｒ−１：ここでＮｒは、隣接す
るノードの総数）を保有する。図４は、このテーブルＴｉの具体的な構造を示している。縦軸が周波数チャネル（Ｃ0、Ｃ1、・・・、ＣNc-1）、横軸がミニスロット４２のグループ（ｍｓｇ1、ｍｓｇ2、・・・、ｍｓｇN）を示している。ミニスロット４２の有効性を示す上での労力低減のため、２５６のミニスロット４２（これは、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークにおいて標準化されている）がＮ個のグループｍｓｇ1、ｍｓｇ2、・・・、ｍｓｇN）に分類される。ミニスロット４２のグループのグリッドサイズは、ネットワークにおけるデータパケット通信のために、要求される最小のグリッドに基づくものとされる。
【００５８】
テーブル（ＴaとＴi）において、各セルは、一の周波数チャネルにおけるミニスロット４２のグループの有効性が記述される。仮に周波数チャネルがプライマリユーザの通信により有効でない場合には、全てのセルにおいて“プライマリユーザによって占有されている”旨の表示がされる。仮にミニスロット４２のグループがこのノード１２又はデータパケットを送受信する隣接ノード１２に割り当てられる場合、これに対応するテーブルＴa上のセルには、“セカンダリユーザによって占有されている”旨が表示される。テーブルＴaの残りのセルには、“セカンダリユーザにとって有効である”旨の表示が行われる。隣接するノードにおけるミニスロット４２のグループの割り当ては、ＭＳＨ−ＤＳＣＨを介して知ることが可能となる。
【００５９】
次に周波数チャネルの割り当て条件について説明をする。周波数チャネルを割り当てる際に、ノード１２は、テーブルＴa〜Ｔiの全てをチェックする。一のチャネルにおけるミニスロット４２のグループは、このノード１２における隣接ノードｎxとの間における送受信のために割り当てられる。この割り当てが行われるのは下記のケースである。（ａ）全てのテーブルＴa〜Ｔiにおけるセルが“セカンダリユーザによって占有されている”と記述されていない場合、（ｂ）全てのテーブルＴa〜Ｔiにおけるセルが“プライマリユーザによって占有されている” と記述されていない場合、（ｃ）テーブルＴaにおいて、他のチャネルのセルが“セカンダリユーザによって占有されている”と記述されていない場合。
【００６０】
実際の周波数チャネルの割り当て方法について以下説明をする。
【００６１】
コグニティブ通信における各メッシュノード（要求側）が、他のノード（提供側）から周波数チャネルの割り当てを要求する場合、要求側は、提供側に対して係る周波数チャネル要求リクエストを送信する。リクエストを受信した後、提供側は、即座に周波数チャネルを提供しない。あくまで次のＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付する直前に周波数チャネルを提供する。提供側は、そのＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付するとき、提供側は、有効なテーブルＴa〜Ｔiの全てをチェックする。そして、上述の方法に基づいて要求側に好適な周波数チャネルを提供する。提供側から提供された周波数チャネルを受信した後、要求側はそのテーブルの有用性について即座にチェックを行う。仮に周波数チャネルの割り当て条件が合致するのであれば、その提供を受け付ける。それ以外の場合にはかかる周波数チャネルの提供を拒絶する。
【００６２】
仮にその周波数チャネルの提供を受け付ける場合には、その有効なテーブルＴaにおいてセルにマークを入れる。またＭＳＨ−ＤＳＣＨメッセージを送付した次の時点において、提供を受けた周波数チャネルを受け付けたか否かを示す確認情報を提供側に送信する。
【００６３】
提供の受信、提供に関する確認情報の送信の間の時間において、要求側が、提供側により割り当てられる周波数チャネルが重複してしまう旨の情報を受信した場合、その提供を拒絶するようにしてもよい。
【００６４】
なお、本発明では、上述した混合サブフレームｍＤＳにおける通常の信号検出に加えて、ノード１２がデータサブフレームｆＤＳにおいてデータパケットの送信を予定する場合には、そのデータサブフレームｆＤＳの先頭においてそのデータパケットの送信を行うための周波数チャネルの検出を行うようにしてもよい。ここで、検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定されていたデータパケットの送信は中止するようにしてもよい。
【実施例１】
【００６５】
本発明は、コグニティブ通信におけるＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークにおいて使用することができる。通信アプリケーションの例は、ＴＶＷＳ（White Space）の動作下における、船舶間、又は船舶と海岸間で行われる海上通信に用いられる、コグニティブＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークが先ず考えられる。それ以外には、ＷＳ（White Space）において動作する、ブロードバンドのコグニティブＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュネットワークが考えられる。
【００６６】
海上のコグニティブメッシュネットワークに本発明を適用したシミュレーションモデルを図５に示す。このシミュレーションモデルは、一般的な海上無線メッシュネットワーク又はアドホックネットワークであり、ＩＭＯ（International Maritime Organization）によって定義される交通整理スキームが用いられた狭域海上チャネルによりカバーされるものである。この通信ネットワークは二つの平行な船舶８４のレーンが存在する。一のレーンは、進行方向が東向きであり、他の一のレーンは進行方向が西向きである。それぞれのレーンは、幅２０ｋｍであり、それぞれ地上基地８５を持っている。この地上基地８５は、ＩＥＥＥ８０２．１６ｄメッシュの基地局の場合には、海岸から１０ｋｍ離間した箇所に位置している。
【００６７】
本シミュレーションにおける海の状態は、３．０と６．０である。また一つのチャネルを合わせる回数が１ｈｏｐとしたときに１ｈｏｐ〜３ｈｏｐｓとしている。また６３２〜６９２ＭＨｚの範囲において全部で１０のＴＶＷＳ周波数チャネルが解析に用いられる。各チャネルの帯域幅は６ＭＨｚである。QPSK1/2は、データパケットの送信、制御パケット送信の双方において用いられる。また、ＭＲＰＴ（Maritime Routing Protocol for Triton）が経路探索用プロトコルとして用いられる（例えば、非特許文献２参照。）。
【００６８】
ＭＡＣフレームの期間は、４０ｍｓである。１のチャネルの検出のために使用される時間は、０．５ｍｓである。各シミュレーションにおいて全５１の海路のノードが海上に存在し、基地局としての地上基地８５が陸上にある。海上ノードの一つは、それぞれのシミュレーションにおける基点ノードとして選択され、目的地のノードは、地上基地８５となる。各シミュレーションの時間は６００秒である。最初の３００秒においてシステムのウォームアップを行い、次の３００秒において、選択した一のノードからＣＢＲ（Constant bit-rate）データパケットを地上基地８５へ送信する。パケットのサイズは４００バイトであり、パケットの到着までの時間は、５ｍｓである。
【００６９】
図６は、シミュレーションの結果を示している。横軸は、受信比率である。また縦軸は、送信比率で、どの程度の割合で目的地のノードへと送信することができたかの割合が示されている。これは、各海の状態（＝３．０又は６．０）と、全て３つのhop回数何れのケースにおいても見られている。ここで海の状態が３．０であって、１hopの場合に、送信比率は、１に収束されてくる。これはほぼ全てのパケットが送信成功となることを意味している。最も悪いケースでは、海の状態が６．０であって、６hopの場合である。縦軸が０．８であるときの送信比率が７０％を少し超える程度である。シミュレーションの結果から、本発明を適用したコグニティブ無線通信方法の効果を確認することが可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１ コグニティブ無線通信システム
１２ ノード
１１ デバイス
３１ 第１のＭＡＣフレーム
３２ 第２のＭＡＣフレーム
３５ データ期間
３６ 検出期間
４１ 制御スロット
４２ ミニスロット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、
制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレームを連続させるとともに、上記制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレームが上記連続する第１のＭＡＣフレーム間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、
上記検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別すること
を特徴とするコグニティブ無線通信方法。
【請求項２】
隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するための情報要素（ＩＥ）を含めて送信すること
を特徴とする請求項１記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項３】
上記制御用サブフレームを構成する制御用スロットにおいて、全てのメッシュノードは、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも一のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスし、それ以外の場合には、制御スロットの形式に基づいて他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うこと
を特徴とする請求項１又は２記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項４】
各ノードにおいて全ての周波数チャネルにつきミニスロットの有効性がそれぞれ記述されるテーブルを保有し、隣接ノードにおける周波数の割り当てを当該テーブルを参照しつつ実行すること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項５】
更にデータ用サブフレームの先頭において周波数チャネルを検出するための検出期間を設け、当該検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定していたフレームデータの送信を中止すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項１】
ＭＡＣ（Medium Access Control）プロトコルを用いたコグニティブ無線通信方法において、
制御用サブフレームと実データが記述されるデータ用サブフレームとを備える第１のＭＡＣフレームを連続させるとともに、上記制御用サブフレームと実データが記述されるデータ期間並びに周波数チャネルを検出するための検出期間とを有する混合サブフレームとを備える第２のＭＡＣフレームが上記連続する第１のＭＡＣフレーム間に所定周期で挿入されているフレームデータをセカンダリネットワーク側から送信し、
上記検出期間を介して周波数チャネルを検出することによりプライマリネットワークの状況を識別すること
を特徴とするコグニティブ無線通信方法。
【請求項２】
隣接ノードの周波数チャネルの検出結果を通知するための情報要素（ＩＥ）を含めて送信すること
を特徴とする請求項１記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項３】
上記制御用サブフレームを構成する制御用スロットにおいて、全てのメッシュノードは、通常の周波数チャネルでのアクセスを試み、当該周波数チャネルが少なくとも一のノードにおいて有効である旨が報告された場合には、当該の一の周波数チャネルでアクセスし、それ以外の場合には、制御スロットの形式に基づいて他の有効な周波数チャネルでアクセスを行うこと
を特徴とする請求項１又は２記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項４】
各ノードにおいて全ての周波数チャネルにつきミニスロットの有効性がそれぞれ記述されるテーブルを保有し、隣接ノードにおける周波数の割り当てを当該テーブルを参照しつつ実行すること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のコグニティブ無線通信方法。
【請求項５】
更にデータ用サブフレームの先頭において周波数チャネルを検出するための検出期間を設け、当該検出期間において他の周波数チャネルが検出された場合、予定していたフレームデータの送信を中止すること
を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載のコグニティブ無線通信方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１１４８２４（Ｐ２０１２−１１４８２４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３９６６（Ｐ２０１０−２６３９６６）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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