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Title:
MOBILE RADIO COMMUNICATION SYSTEM AND RADIO COMMUNICATION METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/104689
Kind Code:
A1
Abstract:
In a mobile radio communication system of the cognitive radio method, a database device has a use state table indicating a probability that each frequency band is used for each period of time and for each location. An on-vehicle terminal acquires a frequency band having the highest probability that the band is empty at the current time and the current location according to the use state table and performs a radio communication by using the frequency band. The use state table is preferably created by a statistical process using the database device which acquires the use states of frequency bands of various locations and times by using respective vehicles as probe cars. Thus, it is possible to detect the frequency of the empty state in a short time.

Inventors:
ALTINTAS ONUR (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/052914
Publication Date:
August 27, 2009
Filing Date:
February 19, 2009
Export Citation:
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Assignee:
TOYOTA INFOTECH CT CO LTD (JP)
TOYOTA MOTOR CO LTD (JP)
ALTINTAS ONUR (JP)
International Classes:
H04W72/08; H04W4/04; H04W16/14; H04W24/10; H04W64/00; H04W72/04
Domestic Patent References:
WO2008129660A12008-10-30
Foreign References:
JP2007184850A2007-07-19
JP2006094005A2006-04-06
JP2007088941A2007-04-05
JP2007300419A2007-11-15
Attorney, Agent or Firm:
KAWAGUCHI, Yoshiyuki et al. (JP)
Yoshiyuki Kawaguchi (JP)
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Claims:
 複数の移動端末とデータベース装置とから構成され、移動体が利用可能な周波数帯を選択して無線通信を行う移動体無線通信システムであって、
 前記データベース装置は、時間ごと場所ごとに各周波数帯が使用されている確率を表す使用状況テーブルを保持しており、
 前記移動端末は、前記データベース装置から前記使用状況テーブルを取得し、該使用状況テーブルに基づいて、無線通信を行おうとする時点および当該時点で自端末が位置する場所において空き状態である確率が高い周波数帯を用いて無線通信を行う
 ことを特徴とする移動体無線通信システム。
前記複数の移動端末は、それぞれ、
 各周波数帯が使用中か空き状態かを検出する使用状況検出手段と、
 自端末の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
 前記使用状況検出手段によって取得された周波数帯の使用状況を、自端末の位置情報とともに送信する送信手段と、
 を有し、
前記データベース装置は、
 各移動端末から周波数帯の使用状況と位置情報とを受信し蓄積する受信手段と、
 受信された各周波数帯の使用状況と位置情報とから、前記使用状況テーブルを作成する解析手段と、
 を有する
 ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載の移動体無線通信システム。
 前記移動端末は、前記使用状況テーブルに基づいて空き状態である確率が高いと判断された周波数帯について、該周波数帯が使用中か空き状態かの検出を行い、空き状態であればその周波数帯を用いて無線通信を行う
 ことを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項に記載の移動体無線通信システム。
 複数の移動端末とデータベース装置とから構成される移動体無線通信システムにおける無線通信方法であって、
 前記データベース装置が、時間ごと場所ごとに各周波数帯が使用されている確率を表す使用状況テーブルをあらかじめ作成して保持し、
 前記移動端末が、前記データベース装置から前記使用状況テーブルを取得し、該使用状況テーブルに基づいて、無線通信を行おうとする時点および当該時点で自端末が位置する場所において空き状態である確率が高い周波数帯を用いて無線通信を行う
 ことを特徴とする無線通信方法。
 前記複数の移動端末が、いずれかの周波数帯について使用中であるか空き状態であるかを検出するとともに自端末の位置情報を取得し、検出された周波数帯の使用状況を自端末の位置情報とともに、前記データベース装置に送信し、
 前記データベース装置が、各移動端末から周波数帯の使用状況と位置情報とを受信し蓄積し、蓄積された各周波数帯の使用状況と位置情報とから、前記使用状況テーブルを作成する
 ことを特徴とする請求の範囲第4項に記載の無線通信方法。
 前記移動端末が、前記使用状況テーブルに基づいて空き状態である確率が高いと判断された周波数帯について、該周波数帯が使用中か空き状態かの検出を行い、空き状態であればその周波数帯を用いて無線通信を行う
 ことを特徴とする請求の範囲第4項又は第5項に記載の無線通信方法。
Description:
移動体無線通信システムおよび 線通信方法

 本発明は、移動体無線通信システムに関 る。

 近年、無線通信に利用できる周波数帯の逼 に対処するために、コグニティブ無線(認知 無線)の研究・開発が進められている。コグ ティブ無線の基本的な考え方は、無線端末 周辺の電波環境を認識・認知する機能を持 せ、周囲の電波環境に応じて無線通信に利 する周波数や方式を選択することで、周波 の利用効率を高めようとするものである。 グニティブ無線端末は、具体的には、周辺 電波環境を認識するために各周波数帯をス ャンして利用状況を検出し、使用可能な周 数帯を利用する。これにより、論理的には ての周波数帯を利用して、周波数利用効率 良い無線通信が行える。

特開2007-300419号公報

特開2000-207679号公報

 しかしながら、コグニティブ無線を、車 のように高速で移動する移動体からなる無 ネットワークで用いる場合には、以下のよ な問題がある。

 コグニティブ無線では無線接続の前に周 数帯の未使用部分を取得するために、周波 帯のスキャンが必要となる。この周波数帯 スキャンにはある程度の時間を要する。一 、車両のように高速で移動する移動体では 通信を即座に開始できることが必要となる 即座に通信を開始できなければ、車両の高 移動により通信相手との距離が離れてしま たり、時間の経過により通信しようとして た情報が古くなってしまうためである。

 現状では、広い周波数帯をリアルタイム スキャニングすることが困難であるため、 グニティブ無線を高速で移動する移動体に 用することが困難である。

 本発明は上記実情に鑑みてなされたもの あって、その目的とするところは、移動体 線通信システムにおいて、空き状態の周波 帯を短い時間で検出可能とする技術を提供 ることにある。

 上記目的を達成するために本発明では、 下の手段または処理によって無線通信を行 。

 本発明に係る移動体無線通信システムは 複数の移動端末とデータベース装置とから 成され、移動端末が利用可能な周波数帯を 択して無線通信を行うものである。なお、 明細書において移動端末とはノートパソコ 、PDA、携帯電話機のようにその端末装置自 を持ち運び可能なものの他、端末装置自体 自動車等に固定されているが、設置された 象(自動車等)が移動体であるために移動可 なものを含む。また、本明細書においてデ タベース装置とは、外部からデータの入力 受け付け、それを蓄積し、蓄積されたデー に対して処理を行うことができる装置を指 。このデータベース装置は、物理的に単一 コンピュータから構成されても、ネットワ ク分散された複数のコンピュータが連携す ことによって構成されても構わない。

 本発明におけるデータベース装置は、時 ごと場所ごとに各周波数帯が使用されてい 確率を表す使用状況テーブルを保持してい 。そして、移動端末は、データベース装置 らこの使用状況テーブルを取得し、これに づいて、無線通信を行おうとする時点およ その時点での自端末の位置において空き状 である確率が高い周波数帯を用いて無線通 を行う。

 使用状況テーブルには、位置ごと場所ご に各周波数帯が使用されている確率が含ま るので、移動端末は現在位置および現時点 おいて、各周波数帯ごとに空き状態である 率を判断できる。そこで、移動端末は空き 態である確率が高い周波数帯を用いて無線 信を行う。つまり、空き状態である確率が い周波数帯を実際にスキャンして、実際に き状態であればその周波数帯を用いて無線 信を行う。ここで、空き状態である確率が も高い確率の周波数帯を選択しても良いし 所定の確率以上の任意の周波数帯を選択し も構わない。

 このように、移動端末は、使用状況テー ルに基づいて空き状態である確率の高い周 数帯を知ることができるので、あらかじめ められた順序で周波数帯をスキャンして空 状態の周波数帯を検出する場合よりも、ス ャン時間を短縮することができる。

 本発明における使用状況テーブルは、以 の手段および処理によって作成することが 適である。本発明における複数の移動端末 、それぞれ、各周波数帯が使用中か空き状 かを検出する使用状況検出手段と、自端末 位置情報を取得する位置情報取得手段と、 用状況検出手段によって取得された周波数 の使用状況を、自端末の位置情報とともに ータベース装置に送信する送信手段とを有 ることが好適である。また、本発明におけ データベース装置は、各移動端末から周波 帯の使用状況と位置情報とを受信し蓄積す 受信手段と、受信された各周波数帯の使用 況と位置情報とから、前記使用状況テーブ を作成する解析手段とを有することが好適 ある。

 上記手段を有する各移動端末は、所定の イミングで、任意の周波数帯のスキャンを い、その結果を位置情報と共にデータベー 装置に送信する。データベース装置は、移 端末から送られる各周波数帯の使用状況を 積し、これらに統計処理を施すことで、各 波数帯の時間ごと位置ごとの使用確率を算 することができる。

 なお、本発明は、上記手段の少なくとも 部を有する移動体無線通信システムとして えることができる。また、本発明は、上記 理の少なくとも一部を含む無線通信方法、 たは、この方法を実現するためのプログラ として捉えることもできる。上記手段およ 処理の各々は可能な限り互いに組み合わせ 本発明を構成することができる。

 本発明によれば、移動体無線通信システ において、空き状態の周波数帯を短い時間 検出することが可能となる。

本実施形態における車両(移動端末)の 能ブロックを示す図である。 本実施形態に係る移動体無線通信シス ムの概要を示す図である。 本実施形態における無線通信方法の全 的な処理の流れを示すフローチャートであ 。 本実施形態におけるデータベース装置 機能ブロックを示す図である。 プローブデータ収集処理の流れを示す ローチャートである。 車両がデータベース装置に送信するプ ローブデータのフォーマット例を示す図であ る。 車両がデータベース装置に送信するプ ローブデータのフォーマット例を示す図であ る。 車両がデータベース装置に送信するプ ローブデータのフォーマット例を示す図であ る。 任意の時点における周波数f1,f2の使用 況を示す模式図である。 任意の位置における時間帯別の各周波 の使用確率を示す図である。 使用周波数を決定する処理の流れを示 フローチャートである。

符号の説明

 1   車両
 2   データベース装置
 10  アンテナ
 11  無線送受信部
 12  使用状況検出部
 12a 電力測定部
 12b 帯域設定部
 13  GPS装置
 14  電波状況送信部
 15  使用帯域決定部
 16  パラメータ設定部
 21  送信部
 22  記憶部
 23  解析部
 24  送信部

 以下に図面を参照して、この発明の好適 実施の形態を例示的に詳しく説明する。

〈システム概要〉
 図2は、本実施形態に係る移動体無線通信シ ステムの概要を示す図である。本無線通信シ ステムは、複数の車両1とデータベース装置2 から構成される。各車両1はデータベース装 置2と双方向に通信可能である。各車両1は、 側に設けられた通信設備(アクセスポイント )を介してデータベース装置2と通信する。デ タベース装置2は、単一のコンピュータから 構成されても良く、分散配置された複数のコ ンピュータから構成されても良い。また、車 両1とデータベース装置2との間の通信手段は 路側通信設備に限られず、携帯電話網や衛 通信網など任意の通信手段であってよい。

 本無線通信システムにおける各車両1は、 コグニティブ無線通信を行う。すなわち、周 囲の電波利用状況を検知して、利用可能な周 波数帯を検出して、その周波数帯で無線通信 を行う。このように、利用可能な周波数帯を 検出するためには周波数帯のスキャンを行う 必要があるが、多くの周波数帯が使用されて いる状況では、スキャン順序によっては、空 いている周波数を検出するために多くの時間 を要してしまう。そこで、本実施形態では、 以下のように使用状況テーブルを作成・利用 することで、スキャン時間の短縮を図ってい る。

 図3は、本実施形態における全体処理の概 要を示すフローチャートである。まず、前処 理として、各車両1をプローブカーとして用 て、様々な場所・時刻における各周波数帯 使用状況を収集する(S1)。収集されたデータ データベース装置2に蓄積される。そして、 ある程度のデータが蓄積されたところで、こ れらのデータに統計処理を施して、時間ごと 場所ごとに各周波数帯が使用されている確率 を表す使用状況テーブルを作成する(S2)。こ 使用状況テーブルは各車両1に配布される。 して、無線通信を行おうとする車両1は、こ の使用状況テーブルに基づいて空き状態であ る可能性が高い周波数帯を選択して、無線通 信に用いる(S3)。つまり、車両1は、使用状況 ーブルから空き状態である確率が高い周波 帯が分かるので、スキャンした結果使用中 判明される可能性を減らすことができ、ス ャン時間の短縮が可能となる。

〈構成〉
 [車載端末]
 図1は、車両1の機能構成を示すブロック図 ある。車両1は、無線信号を送受するアンテ 10、受信した信号を復調すると共に、送信 る信号を変調する無線送受信部11、任意の周 波数帯の使用状況を検出する使用状況検出部 12,現在位置を取得するGPS装置13、任意の周波 帯の使用状況をデータベース装置2に送信す る電波状況送信部14、無線通信に使用する周 数帯を決定する使用帯域決定部15及び無線 受信部11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16を備える。

 以下、各部の動作について説明する。

 送信時には、無線送受信部11に上位層か 送信データが渡され、無線送受信部11がこの データを無線変調しアンテナ10に供給する。 方、アンテナ10から受信された無線信号は 無線送受信部11で復調され、復調されたデー タは上位層に渡される。パラメータ設定部16 、コグニティブ無線を行うために必要な機 で、使用する無線チャネル(無線周波数)、 調方式、送信電力などのパラメータを設定 る。無線送受信部11は、パラメータ設定部16 よって設定されたパラメータに基づいて、 線信号の変復調を行う。

 使用状況検出部12は、電力測定部12aと帯 設定部12bとから構成され、帯域設定部12bに って設定された無線チャネルの使用状況を 出する。使用状況の検出の際には、受信信 を直交復調して振幅変動を検出し、この振 変動が雑音レベルと等しければ空き状態で ると判断する。なお、無線チャネルの使用 況検出は、信号の周期定常性を検出する周 定常特徴検出(cyclostationary feature detection)に り行っても良い。また、無線チャネルの使 状況検出は、整合フィルタ(matched filter)を いることによって行っても良い。この他に 、無線チャネルの使用状況の検出(キャリア ンス)は、既存のいかなる技術を用いて行っ ても構わない。

 GPS装置13は、GPS衛星からGPS信号を受信し 自端末の位置情報を取得する。なお、GPS信 のみから自端末の位置を決定するだけでな 、地図(道路)データおよびジャイロや加速度 センサを用いて位置検出の補正処理を行って も良い。

 使用帯域決定部15は、データベース装置2 ら取得する使用状況テーブルと現在位置と 基づいて、無線通信に使用する無線チャネ (周波数帯域)を決定する。使用帯域決定部15 は、後述するように、使用状況テーブルに基 づいて、空き状態である可能性が最も高い無 線チャネルを用いて無線通信を試みる。選択 された周波数は使用状況検出部12に送られ、 こで実際に空き状態であるか検出される。 際に空き状態であれば、使用帯域決定部15 、無線送受信部11がこの周波数帯域を利用で きるようパラメータ設定部16を介して通信パ メータの設定を行う。

 [データベース装置]
 図4は、データベース装置2の機能構成を示 ブロック図である。データベース装置2は、 両1から周波数使用状況データを受信する受 信部21、受信したデータを記憶する記憶部22 記憶部22に蓄積された周波数使用状況データ に統計処理を施して、時間ごと場所ごとに各 周波数帯が空き状態である確率を表す使用状 況テーブルを作成する解析手段23、および、 成した使用状況テーブルを車両1に送信する 送信部24とを備える。

 データベース装置2は、ハードウェアとし ては、CPU(中央演算処理装置)、主記憶装置、 助記憶装置等を有するコンピュータである データベース装置2の上記各機能部は、CPUが プログラムを実行することによって実現され る。上記各機能部の一部又は全部は専用のチ ップによって実現されても構わない。また、 上記各機能部は、複数のコンピュータによっ て実現されても構わない。

〈処理詳細〉
 以下では、図3に示した全体処理のそれぞれ について、詳細な処理動作を説明する。

 図5は、プローブデータ収集処理(図3のS1) 詳細な内容を示している。まず、車両1はス キャンする周波数帯の選択を行う(S11)。ここ 、どの周波数帯を選択するかは任意に定め ことができる。また、スキャンする周波数 も単一のチャネルのみであっても良く、所 の幅のある範囲内の周波数帯であっても良 。次に、使用状況検出部12が、選択された 波数帯の電波使用状況を検出する(S12)。また 、車両1は、GPS装置13を用いて自車両の現在の 位置情報および現在時刻を取得する(S13)。そ て、電波状況送信部14は、スキャンした周 数帯域の使用状況、自車両の位置情報およ 現在時刻を合わせてデータベース装置2に送 する(S14)。なお、周波数のスキャン(S11,S12) 位置情報の取得(S13)は、逆の順序で行っても 良く、並行して行っても良い。

 データベース装置2に送信するデータのフ ォーマットの一例を図6A~図6Cに示す。図6A~図6 Cには3通りの例が示されているが、いずれも 位置情報(緯度、経度)、時刻、周波数およ 使用状況が含まれる。使用状況として、図6A では無線信号の振幅、図6Bでは使用/未使用の フラグ(1または0)、図6Cでは使用状況をレベル 分けした情報を送信している。なお、位置情 報としては、緯度・経度の情報ではなく、あ らかじめいくつかのエリアに分けておき、自 車両が位置するエリアを識別するIDを送信す ようにしても良い。また、上記の説明では 送信データに電波状況を検出した時刻を含 ているが、送信データには時刻情報を含め に、データベース装置2が車両1からのデー を受信した時刻を電波状況の検出時刻とみ しても良い。

 このようにして、データベース装置2はプ ローブカーからのデータの収集を行う。所定 の期間データの収集を行い、ある程度の量の データが集まったら、データベース装置2は 積したデータに統計処理を施すことで、場 ごとおよび時間ごとに、ある周波数帯が空 状態である確率を表す使用状況テーブルの 成を行う(図3のS2)。

 各エリアでは、時間ごとにどの周波数帯 使われている確率が高いかという特徴があ 。

 例えば、エリアごとに使用されている周 数帯域が異なるという状況がある。図7は特 定の時刻における2つの周波数f1およびf2の利 状況を示す模式的な図である。このように 周波数帯によって利用される場所が異なる とがあり得る。この原因の一つとして、そ 無線周波数帯域を使用する無線機器の分布 ばらつきがあることを挙げることができる また、特定のエリアに着目した場合に時間 よって周波数帯域の使用状況が異なること あり得る。例えば、あるエリアでは朝およ 夜に種々の周波数帯が使われるが、昼はあ り無線の利用がないという特徴があり得る また、別のエリアでは、朝には携帯電話(約 1.5GHz)がよく使われ、昼には無線LAN(2.4GHz、5GHz )が使われたり、また休日にはアマチュア無 (144MHz、430MHzなど)がよく使われるということ がある。

 そこで、データベース装置2は、エリアご と時間ごとに各周波数帯が使用されている確 率を示す使用状況テーブルを、収集されたプ ローブデータから平均をとることで作成する 。作成された使用状況テーブルの概念図を図 8に示す。図8は、ある特定のエリアにおける 間帯別の各周波数の利用状況を示す。した って、エリアごとに図8のようなテーブルが 用意される。なお、使用状況テーブルにおけ る時間帯の幅は適宜設計可能である。例えば 、1時間や2時間といった時間幅を設定可能で る。また、日ごとに異なる使用状況テーブ を作成しても良い。例えば、平日(月曜~金 )と休日(土曜、日曜、祝日)とで異なる集計 行って異なるテーブルを用意しても良く、 た曜日ごとに異なる集計を行って異なるテ ブルを用意しても良い。また、同一の使用 況テーブルが適用される一つのエリアの大 さやその決定方法は、任意に定めて良い。 度経度情報に基づいて、長方形のエリアを 定することが最も簡単である。例えば、地 (緯度Lat0、経度Lng0)と地点(緯度Lat0+1分、経度 Lng0+1分)によって作成される長方形を1つのエ アとして定めることが簡単である。ただし エリアの区分けはその他の方法によって行 ても良く、どのような粒度でエリアを分け かも適宜設計可能である。

 このようにして、データベース装置2にお いて作成された使用状況テーブルは、各車両 1に配布される。車両1は、無線通信を行おう する場合に、使用状況テーブルを用いて空 ている確率が高い周波数帯を予測して、そ 周波数帯での通信を試みる(図3のS3)。

 図9に車両1が行う使用周波数の決定処理 詳細を示す。車両1は、まず、GPS装置13から 在時刻および現在位置を取得する(S31)。そし て、使用帯域決定部15が、データベース装置2 から取得した使用状況テーブルと、現在位置 および現在時刻とから、自車両が位置するエ リアの現在時刻において空き状態である確率 が最も高い周波数帯を選択する(S32)。選択さ た周波数帯は使用状況検出部12に送られて キャンされ、この周波数帯が実際に空き状 であるか否かが判断される(S33)。この周波数 帯が使用状態である、すなわち利用可能では ない場合(S34-NO)は、使用状況テーブルを参照 て空き状態である確率が次に高い周波数帯 選択して(S35)、その周波数帯が実際に空き 態であるか判断する。一方、選択された周 数帯が空き状態である、すなわち利用可能 ある場合(S34-YES)は、選択された周波数帯を いて無線通信を行う(S36)。

<実施形態の作用/効果>
 このように、使用状況テーブルに基づいて き状態である確率が高い周波数帯からスキ ンすることで、使用可能な周波数帯を探知 るのに要する時間を削減することが可能と る。自動車のように高速で移動する移動体 場合、即座に通信を開始できることが求め れるが、本実施形態によればその要請を満 することが可能となる。

 また、コグニティブ無線において、各端 で利用可能な周波数帯を把握しスキャン時 を短縮するために、利用する周波数帯を管 サーバ等に通知して管理サーバ側で周波数 利用状況を常時管理する技術が知られてい 。本実施形態はこのような方法と比較して 圧倒的に簡易な方法であり、したがってコ トもかからない。そして、利用可能な周波 帯の検出を即座に探知できるという効果を ることができる。

 また、各周波数の使用状況を示す使用状 テーブルを、プローブカーシステムを用い 作成しているため、安価に広範囲のエリア データを収集することができる。

<変形例>
 上記実施形態では、各車両1がプローブデー タ(周波数の使用状況)を採集・送信と、コグ ティブ無線の両方の機能を有するとして説 した。しかしながら、本無線通信システム おいて、一部の車両は、プローブデータの 集・送信のみの機能を有しても良く、また 使用状況テーブルに基づいて使用周波数を 定するコグニティブ無線機としての機能の を有していても良い。

 上記の説明では、車両1は使用状況テーブ ルを参照して、空き状態である確率がもっと 高い周波数帯を選択して、無線通信を試みて いた。しかしながら、スキャン時間の短縮の ためであれば、必ずしも最も空き状態が高い 周波数帯を選択する必要はなく、所定のしき い値よりも高い確率で空き状態である周波数 帯を選択しさえすればよい。

 また、使用状況テーブルは一度作成した に、定期的に更新することが好ましい。各 両が使用状況テーブルを用いてコグニティ 無線を行っている場合も、各車両が定期的 周波数帯のスキャンを行って、スキャン結 をデータベース装置2に送信することが望ま しい。データベース装置2では、ある程度の のデータが蓄積されたら、使用状況データ ースの更新処理を行い、更新後の使用状況 ーブルを各車両に送信する。




 
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