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R
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C
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ネットワークアーキテクチャ特論：
コグニティブ無線ネットワーク
（
Cognitive Radio Network)について
塚本 和也
尾家 祐二
大学院ネットワークアーキテクチャ特論
2014年10月27日(月） 10:30～12:00
Network Design Research Center
目次
背景：周波数割り当てとその利用状況
ホワイトスペースに関する各国の最新動向
コグニティブ無線
コグニティブ無線からコグニティブ無線ネットワークへ
上位レイヤにおける課題
ネットワークレイヤ
トランスポートレイヤ
車車間通信への適用
実証実験の概要
まとめと参考文献
2
本日
次回
Network Design Research Center
背景：電波
/周波数の割り当て
電波とは、、
周波数が
3THz
以下のもの（電波法2条で規定）
3THz～10,000THzは「光波」、
10,000THz以上は「電磁波」と呼ばれる
電波の利用分野
通信・放送への利用（例：携帯電話、テレビ放送）
即位や遠距離測定への応用（例：ＧＰＳシステム）
エネルギー利用（例：電子レンジ、ＩＨなど）
→ 電波内でも周波数の特性に応じて利用分野が異なる
3
Network Design Research Center
背景：周波数帯毎の主な用途と電波の特徴
4
総務省のホームページから転載： http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/search/myuse/summary/index.htmデータ通信に利用
される周波数帯
低い
周波数
高い
周波数
送信できる
データ量が多い
送信できる
データ量が少ない
Network Design Research Center
背景：周波数の割当について
日本では、電波の公平かつ能率的な利用を確保することに
よって、公共の福祉を増進することを目的として、電波法に基
づき総務省が周波数管理を行なっている。
(総務省ホーム
ページより抜粋）
電波の割り当てプロセス
分配（
allocation)
周波数の国際分配の決定（
ＩＴＵ世界無線通信会議の決定
）
-> 大まかな利用方法はITUで決定
周波数の国内分配の決定
割り当て（assignment)
各周波数をサービス事業者に割り当てる（国内）
→各国で大まかには周波数の利用方法は調整されているが、
細かく見ると異なる
5
Network Design Research Center
背景：日本の周波数割当状況
6
総務省ホームページより転載：http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/usecondition/wagakuni.pdf•周波数利用状況（全て）：平成26年3月時点
ほとんどの周波数が
既に利用されている
Network Design Research Center
背景：周波数割当状況（通信）
30MHz～335.4MHz (平成26年3月時点）
7
総務省ホームページより転載： http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/use/30m.pdf：アナログＴＶ放送に
利用されていた周波数
（2011年7月24日切替）
Network Design Research Center
背景：周波数割当状況（通信）
ＵHF帯：335.4～960ＭＨｚ （平成26年3月時点）
8
Network Design Research Center
背景：周波数割当状況（通信）
960～3000ＭＨｚ （平成26年3月時点）
9
総務省ホームページより転載： http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/use/960m.pdf無線LAN
Network Design Research Center
総務省ホームページより転載： http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/use/10000m.pdf
背景：周波数割当状況（通信）
3GHz～10GＨｚ （平成26年3月時点）
Network Design Research Center
背景：周波数割当状況（通信）
日本では、ほぼ全周波数帯への割り当ては終わっており、空
いている周波数帯はないと考えて良い
-> 外国は？
11
総務省ホームページより転載： http://www.tele.soumu.go.jp/resource/search/myuse/use/10g.pdf
10GＨｚ超 （平成26年3月時点）
Network Design Research Center
背景：他国の周波数割り当て状況
アメリカのスペクトラム（周波数）割り当て状況
12
細切れに割り当て
新たに割り当てる
周波数がない状況
（日本と同様）
30MHz～30GHzまで
で利用可能な割合5%
30
MHz
30
GHz
～
Network Design Research Center
今後のトラヒックの予測
今後のM2M通信の普及に伴う、無線機器の指数関数的成長
2020年までに、約500億台（500～5,000台／km
2）に増加すると予測
OECD (2012),“ Machine-to-Machine Communications: Connecting Billions of
Devices ”, OECD Digital Economy Papers, No. 192, OECD Publishing.
http://dx.doi.org/10.1787/5k9gsh2gp043-en
スマートフォン普及に伴う
モバイルトラヒックの増加
2013年から2018年で11倍まで増加
Cisco.: Cisco Visual Networking
Index: Global Mobile Data Traffic
Forecast Update, 2013-2018 (2014).
13
急増するモバイルトラヒックをどのように
扱うかは非常に切迫した問題
Network Design Research Center
5G実現に向けた取り組み (1)
2010年～2020年の10年間で1000倍のスループット向上が
必要不可欠 ⇒ どのように実現するか？
14
Li, Q.C.; Huaning Niu; Papathanassiou, A.T.; Geng Wu, ``5G Network Capacity: Key Elements and Technologies, IEEE Vehicular technology magazine, Mar. 2014.
Network Design Research Center
5G実現に向けた取り組み (2)
過去の10年
air interfaceの増加 （OFDM, MIMO等） ⇒ 20倍
Spectrumの拡充 ⇒ 25倍 （1GHz以下の帯域に着目）
今後の10年
Air interface ⇒ capacity限界に近い
Spectrum拡充 ⇒ もっと高い周波数の確保が重要
Networkアーキテクチャの高度化
⇒ キードライバー （
40～50倍の増加が可能）
15
Li, Q.C.; Huaning Niu; Papathanassiou, A.T.; Geng Wu, ``5G Network Capacity: Key Elements and Technologies, IEEE Vehicular technology magazine, Mar. 2014.
Network Design Research Center
5G実現に向けた取り組み (3)
帯域の増強予測
⇒ データ通信に適した30MHz
～
30GHzにおいては、ほぼ
周波数が空いていない
16
今後の帯域増加（予想）
Li, Q.C.; Huaning Niu; Papathanassiou, A.T.; Geng Wu, ``5G Network Capacity: Key Elements and Technologies, IEEE Vehicular technology magazine, Mar. 2014.Unlicensed (免許が必要ない）
周波数帯を利用するWLANへ
のオフローディングなどの
ネットワーク構成による対応が
重要となってくる
Network Design Research Center
WiFi（オフロード先）の利用状況 (1)
2.4GHz帯のCH1の利用状況調査 (東京都心部）
17
name Qtty %Qtty %Time Association Req. 932 0.3% 0.1% Association Res. 758 0.2% 0.1% Reassociation Req. 699 0.2% 0.1% Reassociation Res. 688 0.2% 0.1% Probe Req. 5892 1.8% 1.5% Probe Res. 44793 13.8% 10.8% Timing Advertisement 699 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 700 0.2% 0.0% Beacon 56339 17.4% 12.4% ATIM 639 0.2% 0.1% Disassociate 742 0.2% 0.1% Authentication 821 0.3% 0.1% Deauthentication 742 0.2% 0.1% Action 1746 0.5% 0.1% Action No Ack 742 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 705 0.2% 0.1% subtotal 117637 36.3% 25.5%
name Qtty %Qtty %Time Unknown(reserved) 788 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 761 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 736 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 718 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 788 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 731 0.2% 0.1% Unknown(reserved) 682 0.2% 0.0% Control Wrapper 680 0.2% 0.0% Block Ack Request 1273 0.4% 0.1% Block Ack 11548 3.6% 0.2% PS-Poll 673 0.2% 0.0% RTS 8125 2.5% 0.2% CTS 8349 2.6% 0.2% ACK 59467 18.3% 2.3% CF-End 782 0.2% 0.1% CF-End + ACK 692 0.2% 0.1% subtotal 96793 29.9% 3.6%
name Qtty %Qtty %Time Data 1772 0.5% 0.4% Data + CF-Ack 735 0.2% 0.1% Data + CF-Poll 694 0.2% 0.1% Data + CF-Ack/CF-Poll 742 0.2% 0.1% Null (no data) 9199 2.8% 0.6% CF-Ack (no data) 734 0.2% 0.1% CF-Poll (no data) 750 0.2% 0.1% CF-Ack + CF-Poll 706 0.2% 0.1% QoS Data 88044 27.2% 20.2% QoS Data + CF-Ack 642 0.2% 0.1% QoS Data + CF-Poll 673 0.2% 0.1%
QoS Data + CF-Ack/CF-Poll 690 0.2% 0.1% QoS Null (no data) 2294 0.7% 0.1% Reserved 625 0.2% 0.0% QoS CF-Poll (no data) 702 0.2% 0.0% QoS CF-Ack + CF-Poll 690 0.2% 0.1% subtotal 109692 33.8% 21.9%
Management Frames
Control Frames
Data Frames
Total : 324122 frames, 51.0% occupied (Duration : 10 min.)
Majorities over 10% are shaded.
[4]Katsuo Yunoki, Yasunao Misawa, “Some Findings from Real World Measurement”, doc.:IEEE 11-14/0061r0, January 2014
Network Design Research Center
WiFi（オフロード先）の利用状況 (2)
5GHz帯のCH108の利用状況 （東京都心部）
18
name Qtty %Qtty %Time Association Req. 175 0.1% 0.0% Association Res. 557 0.2% 0.0% Reassociation Req. 105 0.0% 0.0% Reassociation Res. 120 0.0% 0.0% Probe Req. 2657 0.8% 0.1% Probe Res. 48318 15.1% 3.6% Timing Advertisement 134 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 139 0.0% 0.0% Beacon 63461 19.8% 4.8% ATIM 122 0.0% 0.0% Disassociate 235 0.1% 0.0% Authentication 666 0.2% 0.0% Deauthentication 975 0.3% 0.0% Action 3164 1.0% 0.1% Action No Ack 138 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 105 0.0% 0.0% subtotal 121071 37.8% 8.7%
name Qtty %Qtty %Time Unknown(reserved) 168 0.1% 0.0% Unknown(reserved) 139 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 147 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 135 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 138 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 121 0.0% 0.0% Unknown(reserved) 137 0.0% 0.0% Control Wrapper 119 0.0% 0.0% Block Ack Request 2473 0.8% 0.1% Block Ack 40253 12.6% 0.4% PS-Poll 127 0.0% 0.0% RTS 20117 6.3% 0.2% CTS 24697 7.7% 0.2% ACK 44781 14.0% 0.5% CF-End 109 0.0% 0.0% CF-End + ACK 119 0.0% 0.0% subtotal 133780 41.8% 1.4%
name Qtty %Qtty %Time Data 2705 0.8% 0.0% Data + CF-Ack 109 0.0% 0.0% Data + CF-Poll 124 0.0% 0.0% Data + CF-Ack/CF-Poll 127 0.0% 0.0% Null (no data) 10140 3.2% 0.1% CF-Ack (no data) 128 0.0% 0.0% CF-Poll (no data) 136 0.0% 0.0% CF-Ack + CF-Poll 129 0.0% 0.0% QoS Data 51087 16.0% 2.6% QoS Data + CF-Ack 69 0.0% 0.0% QoS Data + CF-Poll 69 0.0% 0.0%
QoS Data + CF-Ack/CF-Poll 72 0.0% 0.0% QoS Null (no data) 113 0.0% 0.0% Reserved 84 0.0% 0.0% QoS CF-Poll (no data) 107 0.0% 0.0% QoS CF-Ack + CF-Poll 70 0.0% 0.0% subtotal 65269 20.4% 2.8%
Total : 320120 frames, 12.9% occupied
Management Frames
Control Frames
Data Frames
[4]Katsuo Yunoki, Yasunao Misawa, “Some Findings from Real World Measurement”, doc.:IEEE 11-14/0061r0, January 2014
Network Design Research Center
今後の
WiFi利用の予測
2.4GHz帯は干渉なしで利用可能なチャネル数が少ない上に、
既に混雑しているため利用は期待できない
一方で、5GHzは現時点では空いているが、今後急速に利用
が進むと予想される
事実、LTE-advancedの検討の中において、unlicensed帯
を利用するための提案が開始されている
U-LTE: Unlicensed Spectrum Utilization for LTE
19
WiFiオフロードによる効果は限定的と予想される
割当済のLicensed band帯を有効利用するための
検討が必要不可欠
⇒
TV周波数帯
に着目して利用状況を調査
Network Design Research Center
TV周波数帯の利用状況調査：英国の例
（ロンドンの北約53kmにある人口1万人弱の小規模都市）
（ヒースロー空港の近郊）
（ロンドン市街の中心地）
電波の使用状況
高
低
出典：Ofcom, ”Cognitive Radio Technology”, 2007年2月
(http://www.ofcom.org.uk/research/technology/research/emer_tech/cograd/cograd_main.pdf)
20
Network Design Research Center
マサチューセッツ州内のI-90で、
約2マイルおきに55カ所を選定
測定装置
I-90沿いの各都市における利用可能な帯域幅
2次利用における電力制限
米国マサチューセッツ州の主要幹線道路（I-90）で利用可能な
TV周波数（UHF）帯の利用状況を測定(150マイルの範囲にわ
たる55カ所の各箇所)
指定範囲内における二次利用可能なチャンネル数やその帯域
幅を把握
チャンネルを使用する上での制約を把握
都市部と農村部における利用可能な周波数帯の違いを把握
TV周波数の利用状況調査：米国の場合
S. Pagadarai, A. M. Wyglinski, and R. Vuyyuru. Characterization of Vacant UHF TV Channels for Vehicular
Dynamic Spectrum Access. Proceedings of the IEEE VNC, October 2009.
23
Network Design Research Center
米FCCルールを適用した場合の日本でのTV周波数帯の利用可能性
アンテナ高さは3m以下の場合
東京、札幌で
144MHz利用可能
名古屋、福岡、広島で96MHz利用可能
仙台で180MHz利用可能
24
“Analysis of TV White Space Availability in Japan” by 富士通研究所 IEEE VTC 2012-Fall, 2012年9月、カナダ
日本でのTV周波数帯の利用可能性について
“…the metropolitan areas, as well as rural areas, in
Japan seem to be a good market for TVWS devices.
Since heavily populated areas generally demand
additional spectra, TVWS availability in Japan is
likely to be more encouraging than that in the USA.”
Network Design Research Center
広範囲の周波数帯における利用率調査
25
Maximum Amplitudes
PSD (Power Spectrum Density)
周波数
(MHz)
周波数
(GHz)
実測結果
•2GHz以下は比較的利用率が高い(利用効率がよい)
•3～5GHzの利用率が極めて低い (5GHz以上は比較的高い)
[1] I. F. Akyildiz, W. Y. Lee, M. C. Vuran, and S. Mohanty. Next generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: a survey.Elsevier Computer Networks, 50(5):2127-2750, Aug. 2006.
[2] Jing Yang, “Spatial Channel Characterization for Cognitive Radios”, MS Thesis, UC Berkeley, 2004
Network Design Research Center
現状の周波数割り当ての問題
周波数の利用状況がある周波数帯（特に2GHz以下)
だけに集中している
大部分の周波数が未使用のまま残っている
FCC (Federal Communication Commission)：アメリ
カ国内の周波数割当を管理する機構、による統計
割り当てた各無線周波数の利用率は「
空間的、時間的
」に利用率が
15～85%で変動
[3] FCC, “Spectrum policy task force report,” ET Docket
No.02-155, Nov 2002.
26
新規に割り当てるための周波数は枯渇しているが、
既存の割り当て周波数は効率的に使えていない
Network Design Research Center
空間的・時間的な周波数の利用状況
27
地域によって周波数の利用状況
は異なる
例：
・都心や繁華街ではセルラー等の帯域は
多く使用されている
・山や海では周波数の利用は少ない
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 20 40 60 80 100Frequency
ID
Time [s]
occupy空間的
時間的
同一の場所でも時間によって利用可
能な周波数が変化する
例：
・昼：セルラー等の周波数が多く使用
・夜：あまり使用されていない
利用可能な周波数（
ホワイトスペース
）
を適切に検知し、使う技術が重要
コグニティブ無線(Cognitive Radio: CR) 技術
Network Design Research Center
ホワイトスペース
の動的利用を実現する
コグニティブ無線（
Cognitive Radio）
28
•1999年にJ. Mitolaによって初めて提案される
[4] J. Mitola III, G. Q., Maguire, ``Cognitive radio: making
software radios more personal,’’ Personal Communications,
IEEE Volume 6, Issue 4, Aug 1999 Page(s):13 - 18
コグニティブ無線
による動的周波数
利用を実現
Network Design Research Center
TV周波数帯の再利用方針：日本
29
Network Design Research Center
ホワイトスペースに関する最新動向(1):日本
2011年7月24日 アナログTV放送終了
1.
未使用となる周波数（710～770MHz)の有効利用の検討開始
電波有効利用方策委員会で議論が開始 (2006年3月発足)
700/900MHz帯の移動通信システムの動向
【 NTTドコモ、KDDI、
ソフトバンクモバイル(900MHzの割当）
、イー・ア
クセス】の4社から参入希望が出された【2011年9月6日報道】
http://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01kiban14_01000045.html
2.
TV周波数帯におけるホワイトスペースの利用
新たな電波の活用ビジョンに関する検討チーム（2009年11月25日発足）
がホワイトスペースの活用など電波利用モデルの策定（提案やヒアリン
グの結果を基に）
⇒
ホワイトスペース特区（25地点）
の決定
ホワイトスペース活用の全国展開を目指すための「ホワイトスペース推
進会議」を設立（2010年9月）
⇒しかし、利用方法は放送（エリアワンセグ）のみを対象
30
データ通信に利用するための研究開発が行えていない
Network Design Research Center
ホワイトスペースに関する最新動向
(2): 米国
米国の現状
日本と同様にデジタル放送開始に伴い、開放される
周波数が存在（アナログ放送は2009年6月12日に終
了。
13日から完全デジタル放送化)
一部を公共安全用途に割り当てる
上記以外はオークションにより割り当て開始(2000年～)
31
6月13日以降Network Design Research Center
Googleの戦略(1):オープン・アクセスルール
700MHz帯のオークション
2008年1月24日に開始され、VerizonとGoogleが入札
入札の条件としてGoogleは「
700MHz帯に対するオープン
アクセス・ルールの適用
」を強く主張
2008年3月24日にVerizonが落札、一方でGoogleの主張したオープ
ン・アクセスルールの適用が決定
オープンアクセス・ルール
Verizonが落札した700MHz帯で作るモバイル・ネットワーク（無線インフ
ラ）は，そこで利用する端末の使用やアプリケーションに関して，いかなる
拘束も課してはいけない
携帯電話端末がどのキャリアのサービスでも利用可能にする
32
•携帯端末ベンダがキャリア支配を脱却し，多様な端末を作成
-> Googleは独自仕様の基本ソフトの搭載を目指す(Gphone)
Network Design Research Center
Googleの戦略(2):ホワイトスペースの利用
3月24日: GoogleがFCCに対し「
ホワイトスペース
」の開放を
要求する意見書を送付
ホワイトスペースとは、元来のアナログ放送用周波数の内、デジタル放
送で引き続き用いる周波数帯(470～700MHz帯)に含まれる空き帯域
アナログ放送では各チャネル間に1ch分のガードバンドを設置していた
デジタル放送では電波干渉が軽減できるため、ガードバンドを確保する
必要性がなくなった
-> Googleはそれによって空いたチャネル（TVホワイトスペース)を通信に
利用したいと主張
ホワイトスペースの利用によって発生する問題点
同一周波数を利用するデジタル放送や無線マイクとの干渉が問題
-> 該当する業界団体による反発が強い
33
ホワイトスペースの利用が干渉を発生しないことを
証明する必要がある
=>実証実験（フィールドテスト）
Network Design Research Center
ホワイトスペースの利用に賛成している企業
-> Google以外に、Microsoft，Dell，HPなど
2008年10月
FCCがMotorolaとPhilipsがテスト用に作成した数種類のプロトタイプ
デバイスを用いてフィールドテストを開始
同様のプロトタイプデバイスを用いた実証実験が論文として発表
Y. Yuan et. Al., ``Knows: Kognitiv networking over white spaces,’’ IEEE
DySPAN, Apr. 2007.
2008年11月4日 (11月14日にリリース)
ＦＣＣは満場一致でTVホワイトスペースの限定的な開放を決定
TVホワイトスペースの利用に関して、上位レイヤ、下位レイヤ、クロスレイヤ制御の
機能をも勘案して、関連規則を制定
[8] Second Report and Order and Memorandum Opinion and Order In the
Matter of Unlicensed Operation in the TV Broadcast Bands, Additional
Spectrum for Unlicensed Devices Below 900 MHz and in the 3 GHz Band,
Federal Communication Commission, Document 08-260, Nov. 14, 2008.
2009年10月
バージニア州Claudville市でテレビ・ホワイト・スペースを使った
ネットワーク・サービスを認可
プロトタイプデバイスとフィールドテスト
Network Design Research Center
米国
FCCの最終決定
2010年3月
研究開発用の周波数帯(technical “sandbox”)の提供や、
周波数データベースの整備、拡張について提言
2010年9月23日
2008年11月の限定的な解放を一歩進め、詳細なホワイトスペースの
利用条件を公表し，正式解放を行った
1.
テレビ・ホワイト・スペースの名称は
Super Wi-Fi
2.
無免許周波数帯は新技術の促進に大きく貢献するため、FCCは
テレビ・ホワイトスペースの迅速な開放進める。
3.
テレビ・ホワイトスペースの法的・技術的な要件は、Second MO&Oを参照
4.
従来のテレビ・ホワイト・スペース器機に必要な条件を緩和（
空きチャンネル
の自動検知機能はオプション（必須ではない）
）とし、位置情報を基本とする
データベースだけで器機の管理を行う
位置データベースを利用して、無線マイクなど既存サービスが干渉問題を解決
できるように配慮した。
Second MO&Oは無線マイク保護に関する詳細な記述を掲載
• The Second Memorandum Opinion and Order
http://www.fcc.gov/Daily_Releases/Daily_Business/2010/db0923/FCC-10-174A1.pdf
