コグニティブ無線の研究動向
高田潤一
東京工業大学
電子情報通信学会東京支部シンポジウム
未来のワイヤレスを変えるコグニティブ無線技術
2008年9月2日
目次
●ソフトウェア無線とコグニティブ無線
●コグニティブ無線の
2つの流れ
–ヘテロジニアスネットワーク
–ダイナミックスペクトルアクセス
●コグニティブ無線と法規制
●コグニティブ無線の技術課題
著作権の関係で一部図面が抜けております．
当該文献をご参照下さい．
ソフトウェア無線
システムをディジタル化して
ソフトウェアで仕様を変更することにより
単一のハードウェアでも
複数の仕様に対応できる
マルチモードの無線通信システムを
実現する概念
（
SR研設立趣意書より引用）
初期のソフトウェア無線
[Mito95] Fig. 2 より引用
●Mitolaによるソフトウェア無線機のアーキテクチャ
–Rf回路
–広帯域
ADC/DAC
–リアルタイムソフトウェア
–狭帯域
ADC/DAC （ユーザインタフェース用）
現実的なソフトウェア無線機の実装
[Hara08a] Fig. 2 より引用
●NICTで開発されているソフトウェア無線技術を用
いたコグニティブ無線端末
–可変
RF回路が肝要
●アンテナ，増幅器，
RF/IFフィルタ，ミクサ，シンセサイザ
–ベースバンド信号処理
●インタフェース，
IPコア，パラメタ制御，リコンフィギャラブル部
ソフトウェア無線から
コグニティブ無線へ
Mitola & Maguire, 1999 [MiMa99]
●
コグニティブ無線はソフトウェア無線の拡張
●ユーザのニーズに関する推論（認知
=cognition)
–周波数，伝送方式，プロトコル
–ハードウェア，ソフトウェア
–伝搬環境，ネットワーク
–ユーザの嗜好
–使用するアプリケーション
コグニティブ無線
周辺の電波環境や利用者のニーズを
認知
(cognition) し，
自動的に最適な通信を行う
無線システム
コグニティブ サイクル
[MiMa99], [Samp08]
外界
メッセージ受信
ボタン押下
観測
前処理
分析
指向
優先順位付け通常
計画
判断
学習
行動
すぐ
急ぎ
コグニティブ無線の２つの流れ
●
ヘテロジニアスネットワーク
–
ユーザの
QoSデマンドとネットワークのサービス状況に
よりネットワーク間のハンドオーバをシームレスに行う．
●
周波数有効活用
(dynamic spectrum access)
–
既存無線システムに割り当てられたスペクトルの時間
的・空間的な空きを利用して通信を行う．
ヘテロジニアスネットワーク
[Wata01] Fig. 9より引用
単一の
4Gシステムは来ない
～異種ネットワークの統合
IST E2R (2004-2007)
E2R = End-to-end reconfiguration
IST E2R (2004-2007)
移動通信システムにおける高度な電波の
共同利用に向けた要素技術の研究開発
（電波利用料プロジェクト
2005-2008）
4 つの個別研究課題
●コグニティブ無線端末機の実現に向けた研究開発
–各周波数帯の電波の利用状況に応じて，無線リソース
を制御する無線端末機を確立
●コグニティブ無線通信技術の研究開発
–各周波数帯の電波の利用状況に応じて，無線リソース
を制御するネットワーク技術を確立
●空間軸上周波数有効利用技術の研究開発
●超伝導フィルタ技術の研究開発
コグニティブ無線クラウド
(NICT)
[Hara08b] Fig. 4 より引用
1.CTMは無線アクセス方式を検出
2.CNMはユーザ端末の検出結果に基づきネットワークポリ
シーを決定
3.CNMからCTMへネットワークポリシーを送信
4.CTMは無線アクセス方式及び通信事業者をユーザの嗜
好とネットワークポリシーにより決定
5. 無線アクセス方式を切り替えまたは束ねる
6. 通信開始
CNM：コグニティブネットワークマネージャ
CTM：コグニティブ端末マネージャ
ダイナミックスペクトルアクセス
空きチャネル
～ホワイトスペース
ホワイトスペースの
“opportunistic” な利用
FCCの周波数開放政策
Spectrum Policy Task
Force Report
[FCC02]
●帯域の枯渇より未利用
が問題
●多くの周波数帯域が長
時間利用されていない
–図は
1GHz以下の
700MHz帯域の
スペクトログラム
周波数
時
間
アトランタ ニューオリンズ サンディエゴ[FCC02] より引用
FCCの周波数開放政策
Spectrum Policy Task Force Report
[FCC02]
●
既割当周波数の “
opportunistic and dynamic”
な利用を提言
–利用率の低い周波数帯に対し，
–本来業務である一次利用者の随時優先利用を担保し
つつ，
–周波数が使用されていない時間を見計らって
–他の利用者が二次的に利用することを，
–コグニティブ無線のアプローチにより実現する
UWB (underlay) の使用にも言及
FCCの周波数開放政策
未利用テレビ周波数帯における免許不要の
コグニティブ無線利用の提案
[FCC04]
●ブロードバンドインターネットアクセス用
●与干渉対策
–自らの位置の同定
–近傍の送信機情報データベースへの参照
–他の送信機を検出するセンシング機能
IEEE 802.22
Wireless Regional Area Network
スペクトルの二次利用モデル
●Sahaiらによる分類 [SHMT06, Fuji06]
一次利用者による
干渉管理あり
一次利用者による
干渉管理なし
二次利用者が許容
範囲内で通信
Markets
（一次利用者が制御）
UWB
（二次利用者が拡散）
二次利用者が自律的
に注意
Denials
（一次利用者が干渉
ユーザに停止命令）
Opportunistic
（二次利用者が一次
利用者を認識）
無線リソースの確保の観点からみた
コグニティブ無線
●三瓶による分類
[Samp08] （一部翻案）
無線リソース
無線システム
無線スペクトル
利用可能システムの認知
統合化されたネットワーク
利用可能スペクトルの認知
ヘテロジニアス
ネットワーク
ダイナミックスペクトル
アクセス
コグニティブ無線システムの進化
[Hara08b] Fig. 2 より引用
●
単一事業者，複数アクセス方式
●複数事業者
コグニティブ無線と法規制
●ITU-Rでは現在検討中
–WP5A（陸上移動）では「陸上移動業務のためのコグニ
ティブ無線システム」レポートを検討中．
–WP1B（スペクトル管理）ではWRC-11にむけてのワー
キングプランを策定．
–当面は無線通信規則（国際法
, 略称RR）に従う．
無線通信規則
(RR)
RR 4.4
●
Administrations
of the Member States
shall not
assign to a station any frequency
... [allocated
in RR]...,
●
except
... that
such a station
...
–
shall not cause harmful interference to
, and
–
shall not claim protection from harmful interference
caused by,
システム間干渉問題
隣接周波数干渉
●帯域外発射（スペクトルのサイドローブ）による干渉
●ガードバンドの設計
周波数共用
●UWB (underlay)：低PSDの広帯域信号
●CRS (overlay): 未利用周波数の検出・利用
●許容干渉量，離隔距離の設定
システム間干渉問題
干渉シナリオの設定
●与干渉局：位置，アンテナ特性，送信電力
●被干渉局：位置，アンテナ特性，許容干渉電力
●固定（離隔距離）／移動（時間率）
●単一局からの干渉
(single entry)
／多数局からの干渉
(aggregate)
●伝搬環境
RR 4.4 に基づく ITU-R の解釈
UWB – Rec SM1756/1757, Rep SM2057
●
UWBは無線通信業務ではない
–
既存業務に影響を与えない
–
既存業務に保護を求めない
CRS – WP1Bでこれから議論
●
Resolution 956 (WRC-07)
–
Regulatory measures and their relevance to enable
the introduction of software-defined radio and
cognitive radio systems
–
UWBでの検討がベースになる可能性
許容干渉レベルの問題
与干渉の立場
●実際の受信機に影響を与えなければ
OK?
被干渉の立場
●約束事は既にある：
ITU-R勧告
–予防原理
precaution principle
–劣化要因の配分
apportionment
kTBF-20 dB の根拠
固定業務の例：勧告
F 1094
●劣化要因の配分
–システム内干渉および機器の熱雑音
89%
–他の一次業務からの干渉
10%
–その他の干渉
1%
⇒
1/89 = -19.5 dB
–13年前に要検討と明記されたまま現在に至っている
干渉シナリオにおける
伝搬モデルの設定
与干渉の立場
●現実的・典型的な伝搬環境で評価をしたい
–屋外であれば市街地損失を考えたい
–屋内であれば建物壁面の透過損失を考えたい
被干渉の立場
●最悪の伝搬環境で評価をしたい
–全く影響がないことを保証して欲しい
–自由空間（見通し）での評価を希望
コグニティブ無線と法規制
●米国では
FCCが率先して取り組む
–RRの適用は国境を越える問題に限定
–基本的には「国内問題」～国土の広さもプラス要因
–不適切な過去の判断は取り消しも可能
⇒ 試行的導入が可能
●欧州では
CEPTが検討中 [CEPT08]
–現時点では懐疑的．更なる検討を要する．
–ホワイトスペースの運用は与干渉不可・被干渉保護の
方針（
UWBと同じ）．
コグニティブ無線と法規制
●日本では？
–総務省「コグニティブ無線＝ヘテロジニアスシステム」？
–干渉検討は非常に慎重
●自由空間伝搬
●kTBF-20 dB （被干渉業務による）
–ダイナミックスペクトルアクセスはまだ議論に上がってい
ない？
離隔距離の比較
●
IEEE 802.22 における推奨離隔距離と
日本での
UWBの議論に基づく離隔距離を比較
[PoTK08]
●
条件
–
BS EIRP 50 dBm, CPE EIRP 36 dBm
–BS height 75 m, CPE height 10 m
–
Frequency 617 m
●
離隔距離
(BS)
–
IEEE 24 km, 日本UWB 49,000 km
●
伝搬モデルの違い：
P1546 vs 自由空間
●保護基準の違い：
SIR vs INR
コグニティブ無線の技術課題
商用化までには多くの技術課題
●ハードウェア
–可変
RF回路：LNA, HPA, RFフィルタ, ミクサ, 局発
–BBアナログ回路：IFフィルタ，ADC/DAC
–BBディジタル回路：リコンフィグレーションの実装法
●制御
–センシング
–コグニティブパイロットチャネル
コグニティブ無線の技術課題
●伝送方式
–PHY：変復調，スペクトル整形
–MAC: 周波数アクセス制御，方式切り替え
●ネットワーク制御
●法規制
–干渉の評価法
–コグニティブ無線システムの法的取り扱い
コグニティブ無線端末のプロトタイプ
[Hara08c] Fig. 2 より引用
NICTのプロトタイプ
WCDMA, 802.11g, 11aに対応
White Space Coalition
(MS, Google etc)の
プロトタイプ
FCCでのWhite Spaceの
試験には不合格
参考文献
[BoEN07] Boufidis, Z, E. Patouni, and N. Alonistioti, "End-to-End
Reconfiguration Management and Control System Architecture," E2R II
White Paper, June 2007, available at http://e2r2.motlabs.com/dissemination/ whitepapers
[CEPT24] "A preliminary assessment of the feasibility of fitting new/future
applications/services into non-harmonised spectrum of the digital devidend (namyly the so-called "white spaces" between allotments)", CEPT Report 24, July 2008.
[FCC02] Federal Communications Commission, "Spectrum Policy Task Force Report," FCC ET Docket no. 02-135, Nov. 2002.
[FCC04] Federal Communications Commission, "Notice of Proposed Rule Making in the Matter of Unlicensed Operation in the TV Broadcast Bands," FCC ET Docket no. 04-186, May 2004.
[Fuji06] 藤井威生, "コグニティブ無線の研究課題とその将来像," 2006年信学ソ大, パネル討論資料, Sept. 2006.
[Hara08a] Harada, H., "Research and development on cognitive and software radio technologies - Devices and hardware platform -," 2008 URSI General Assembly, Aug. 2008.
[Hara08b] Harada, H., "Needs, research and development on software defined cognitive radio technology," 2008 URSI General Assembly, Aug. 2008.
参考文献
[Hara08c] Harada, H., "Research and development on cognitive and software radio technologies - Concept and prototype -," 2008 URSI General
Assembly, Aug. 2008.
[JoPh07] Jones, S.K., and Thomas W. Phillips, "Initial Evaluation of the
Performance of Prototype TV-Band White Space Devices," FCC OET Report FCC/OET 07-TR-1006, July, 2007.
[Mito95] Mitola, J., "The Software Radio Architecture," IEEE Communications Magazine, vol. 33, no. 5, pp. 26 - 38, May 1995.
[MiMa99] Mitola, J., and G.Q. Maguire Jr., "Cognitive Radio: Making Software Radios More Personal," IEEE Personal Communications, vol. 6, no. 4, pp. 13-18, Aug. 1999.
[PoTK08] Po, K., J. Takada, and M.S. Kim, "On the protection ctiteria of TV broadcasting services from cognitive radio based wireless regional area network," in preparation.
[Samp08] 三瓶政一, "コグニティブ無線の動向と展開", 通信ソサイエティマガジン, no. 5, pp. 35-45, 2008.
参考文献
[SHMT06] Sahai, A., N. Hoven, M. Mishra, and R. Tandra, "Fundamental tradeoffs in robust spectrum sensing for opportunistic frequency reuse," Tech Report, University of California at Berkeley, Berkeley, CA, Mar 2006, available at
http://www.eecs.berkeley.edu/~sahai/Papers/CognitiveTechReport06.pdf [SM1756] “Framework for the introduction of devices using ultra-wideband
technology,” Rec. ITU-R, SM. 1756, 2006.
[SM1757] “Impact of devices using ultra-wideband technology on systems operating within radiocommunication services,” Rec. ITU-R, SM. 1757, 2006.
[SM2057] “Studies related to the impact of devices using ultra-wideband
technology on radiocommunication services,” Rep. ITU-R, SM. 2057, 2006. [Soum08] 総務省, "平成20年度事後事業評価書", July 2008, available at
http://www.soumu.go.jp/menu_02/hyouka/080724_6.html
[Wata01] Watanabe, F., "IMT-2000 and Beyond IMT -- Radio Technologies toward Future Mobile Communications --," IEICE Transactions on
