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特開2022-142078周波数割り当て方法、無線通信システムおよび周波数割り当てプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022142078
(43)【公開日】2022-09-30
(54)【発明の名称】周波数割り当て方法、無線通信システムおよび周波数割り当てプログラム
(51)【国際特許分類】
H04B 17/382 20150101AFI20220922BHJP
H04W 16/14 20090101ALI20220922BHJP
H04W 72/08 20090101ALI20220922BHJP
H04W 72/04 20090101ALI20220922BHJP
【ＦＩ】
H04B17/382
H04W16/14
H04W72/08
H04W72/04 132
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021042078
(22)【出願日】2021-03-16
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度 総務省「異システム間の周波数共用技術の高度化に関する研究開発」委託研究 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504133110
【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学
(74)【代理人】
【識別番号】100205350
【弁理士】
【氏名又は名称】狩野 芳正
(74)【代理人】
【識別番号】100117617
【弁理士】
【氏名又は名称】中尾 圭策
(72)【発明者】
【氏名】チャルーンスック ブンパシット
(72)【発明者】
【氏名】安達 宏一
【テーマコード（参考）】
5K067
【Ｆターム（参考）】
5K067AA03
5K067BB27
5K067CC02
5K067DD34
5K067EE02
5K067EE10
5K067JJ11
(57)【要約】
【課題】より効率的な無線通信を実現する。
【解決手段】周波数割り当て方法は、一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意することと、領域における二次利用者による一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を二次利用者に割り当てることとを含む。判定することは、それぞれの周波数割り当て時間に含まれる最初の観測点における無線情報を取得することと、最初の観測点より後の観測点における無線情報を、電波環境マップ情報に基づいて推定することと、最初の観測点における無線情報と、後の観測点における無線情報とを、所定の閾値と比較して、それぞれの周波数割り当て時間における共用の可否を判定することとを含む。
【選択図】図３
【解決手段】周波数割り当て方法は、一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意することと、領域における二次利用者による一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を二次利用者に割り当てることとを含む。判定することは、それぞれの周波数割り当て時間に含まれる最初の観測点における無線情報を取得することと、最初の観測点より後の観測点における無線情報を、電波環境マップ情報に基づいて推定することと、最初の観測点における無線情報と、後の観測点における無線情報とを、所定の閾値と比較して、それぞれの周波数割り当て時間における共用の可否を判定することとを含む。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意することと、
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、
前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てることと
を含み、
前記判定することは、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得することと、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定することと、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当て方法。
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、
前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てることと
を含み、
前記判定することは、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得することと、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定することと、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当て方法。
【請求項2】
請求項１に記載の周波数割り当て方法において、
前記領域は、複数のメッシュに分割されており、
前記複数のメッシュに複数のセンサがそれぞれ配置されており、
前記無線情報は、
前記複数のセンサのそれぞれが受信する前記複数の周波数の信号の強度を表す受信信号強度
を含み、
前記電波環境マップ情報を用意することは、
前記共用の可否を判定する前記それぞれの周波数割り当て時間より前に取得された前記無線情報に基づいて前記無線情報の分布を算出すること
を含む
周波数割り当て方法。
前記領域は、複数のメッシュに分割されており、
前記複数のメッシュに複数のセンサがそれぞれ配置されており、
前記無線情報は、
前記複数のセンサのそれぞれが受信する前記複数の周波数の信号の強度を表す受信信号強度
を含み、
前記電波環境マップ情報を用意することは、
前記共用の可否を判定する前記それぞれの周波数割り当て時間より前に取得された前記無線情報に基づいて前記無線情報の分布を算出すること
を含む
周波数割り当て方法。
【請求項3】
請求項２に記載の周波数割り当て方法において、
前記それぞれの周波数割り当て時間は複数のスロットに分割されており、
前記複数のスロットのそれぞれは前記複数の観測点の少なくとも１つを含み、
前記判定することは、
前記複数の観測点のそれぞれにおける前記無線情報に基づいて、前記それぞれのスロットにおいて前記二次利用者が前記一次利用者に干渉を与える確率を表す干渉確率を算出することと、
前記それぞれのスロットにおける前記干渉確率に基づいて、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当て方法。
前記それぞれの周波数割り当て時間は複数のスロットに分割されており、
前記複数のスロットのそれぞれは前記複数の観測点の少なくとも１つを含み、
前記判定することは、
前記複数の観測点のそれぞれにおける前記無線情報に基づいて、前記それぞれのスロットにおいて前記二次利用者が前記一次利用者に干渉を与える確率を表す干渉確率を算出することと、
前記それぞれのスロットにおける前記干渉確率に基づいて、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当て方法。
【請求項4】
請求項３に記載の周波数割り当て方法において、
前記複数のメッシュのそれぞれは複数のグリッドに分割されており、
前記それぞれのメッシュの
前記干渉確率を算出することは、
前記複数のグリッドのそれぞれにおけるフェージング変動およびシャドウィング誤差を推定することと、
前記フェージング変動と、前記シャドウィング誤差とに基づいて前記干渉確率を算出することと
を含む
周波数割り当て方法。
前記複数のメッシュのそれぞれは複数のグリッドに分割されており、
前記それぞれのメッシュの
前記干渉確率を算出することは、
前記複数のグリッドのそれぞれにおけるフェージング変動およびシャドウィング誤差を推定することと、
前記フェージング変動と、前記シャドウィング誤差とに基づいて前記干渉確率を算出することと
を含む
周波数割り当て方法。
【請求項5】
請求項４に記載の周波数割り当て方法において、
前記割り当てることは、
前記割り当て可能な周波数のうち、割り当てることによって前記二次利用者が周波数を切り替える回数が所定の閾値に達しない周波数を割り当てること
を含む
周波数割り当て方法。
前記割り当てることは、
前記割り当て可能な周波数のうち、割り当てることによって前記二次利用者が周波数を切り替える回数が所定の閾値に達しない周波数を割り当てること
を含む
周波数割り当て方法。
【請求項6】
一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を格納するスペクトラムデータベースと、
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定し、前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てる演算装置と
を備え、
前記演算装置は、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得し、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定し、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定する
無線通信システム。
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定し、前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てる演算装置と
を備え、
前記演算装置は、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得し、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定し、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定する
無線通信システム。
【請求項7】
演算装置が実行することによって所定の処理を実現するための周波数割り当てプログラムであって、
前記処理は、
一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意することと、
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、
前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てることと
を含み、
前記判定することは、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得することと、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定することと、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当てプログラム。
前記処理は、
一次利用者が複数の周波数を利用する領域における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意することと、
前記領域における二次利用者による前記一次利用者と同じ周波数の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定することと、
前記それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数を前記二次利用者に割り当てることと
を含み、
前記判定することは、
前記それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における前記無線情報を取得することと、
前記複数の観測点のうちの前記最初の観測点より後の観測点における前記無線情報を、前記電波環境マップ情報に基づいて推定することと、
前記最初の観測点における前記無線情報と、前記後の観測点における前記無線情報とを、所定の閾値と比較して、前記それぞれの周波数割り当て時間における前記共用の可否を判定することと
を含む
周波数割り当てプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は周波数割り当て方法と、この方法を用いる無線通信システムと、この方法で用いられる周波数割り当てプログラムとに関する。
【背景技術】
【0002】
非特許文献１（総務省 総合通信基盤局 電気通信事業部 データ通信課（Ministry of Internal Affairs and Communications in Japan）、「我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計結果（２０１９年５月分）（Results of Counting Traffic on The Internet in Japan, May 2019）」、online、２０１９年９月１２日発表、２０２１年２月２４日検索、インターネット＜http://www.soumu.go.jp/main_content/000644015.pdf＞）が示すように、無線通信を行う端末の増加に伴い、周波数資源が枯渇する問題が指摘されている。
【0003】
この問題への対策として、周波数共用技術が知られている。周波数共用技術は、異システム間で複数の利用者が同じ周波数帯の供用を可能とする。周波数共有技術では、同じ周波数帯を共用する利用者を、第１システムの一次利用者と、第１システムから独立している第２システムの二次利用者とに区別する。一次利用者は、共用される周波数帯を優先的に利用できるように、その通信が空間的及び時間的に保護される。一次利用者には共用周波数帯を優先的に利用できる空間的な保護エリアが設置され、二次利用者はこの保護エリアの外で同じ共用周波数帯を利用できる。ただし、一次利用者が無線通信を行わない時間帯においては、二次利用者も保護エリア内で共用周波数帯を利用できる。
【0004】
言い換えれば、保護エリア内で一次利用者が共用周波数帯を利用して無線通信を開始するとき、この保護エリア内で共用周波数帯を利用して無線通信を行っていた二次利用者は、この共用周波数帯の利用を一時的に遮断される。二次利用者は、共用周波数帯とは別の周波数帯を用いることで保護エリア内での無線通信を継続してもよい。反対に、一次利用者が共用周波数帯を利用した無線通信を終了したとき、二次利用者は保護エリア内で共用周波数の利用を開始することができる。このとき、二次利用者は、それまで別の周波数帯を用いて行っていた無線通信を、共用周波数帯に切り替えて継続することもできる。ただし、二次利用者が利用する周波数帯の切り替えが発生すればするほど、二次利用者による無線通信の品質は劣化する。
【0005】
上記に関連して、非特許文献２（K. Sato, M. Kitamura, K. Inage, and T. Fujii、「Measurement-based Spectrum Database for Flexible Spectrum Management」、IEICE Trans. Commun.、vol. E98-B、no. 10、pp. 2004-2013、２０１５年１０月発行）には、スペクトラムデータベースに係る記載がある。スペクトラムデータベースは、周波数共用技術における有効なソリューションの１つとして利用され得る。このソリューションにおいて、受信信号強度などに代表される無線情報の実測値などの情報が収集されてスペクトラムデータベースに蓄積される。蓄積された情報に基づいて、電波環境マップ情報が構築される。電波環境マップ情報は、信号強度などの分布を地図上に表すデータである。
【0006】
また、非特許文献３（M. Musashi, K. Adachi、「Spectrum Database Aided Prior Vacant Frequency Band Detection for Spectrum Sharing」、2020 International Conference on Artificial Intelligence in Information and Communication (ICAIIC)、pp. 262-266、Fukuoka、２０２０年２月発行）には、スペクトラムデータベースを用いて周波数を割り当てる手法に係る記載がある。この手法では、スペクトラムデータベースに蓄積された電波環境マップ情報に基づいて、時間を分割した単位時間ごとに、単位時間に含まれる複数の観測点の全てにおいて一次利用者と二次利用者の間で干渉が発生しないと推測される周波数を、事前に探知する。この探知の結果に基づいて、単位時間ごとに周波数の割り当てを行う。
【0007】
しかしながら、上記の技術には、以下の問題がある。すなわち、干渉の発生を判定する基準である干渉閾値を電波環境マップ情報が超える観測点が１つでもあれば、その観測点を含む単位時間における周波数共用を行わないので、単位時間において周波数共用が可能となる確率が低い。また、干渉が発生する原因となるフェージング変動とシャドウィング誤差を考慮していないので、周波数の共用を実行している単位時間の間に干渉が発生する可能性が高い。
【0008】
上記に関連して、非特許文献４（P. Dent, G.E. Bottomley, and T. Croft、「Jakes Fading Model Revisited」、Electronics Letters、vol.29、Issue 13、pp. 1162-1163、１９９３年６月２４日）には、レイリー分布に従うＪａｋｅｓフェージングモデルに関する記載が開示されている。
【0009】
また、非特許文献５（H. Claussen、「Efficient Modelling of Channel Maps with Correlated Shadow Fading in Mobile Radio Systems」、2005 IEEE 16th International Symposium on Personal、Indoor and Mobile Radio Communications、pp512-516、Berlin、２００５年９月）には、空間相関を持つシャドウィングに関する記載が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】総務省 総合通信基盤局 電気通信事業部 データ通信課（Ministry of Internal Affairs and Communications in Japan）、「我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計結果（２０１９年５月分）（Results of Counting Traffic on The Internet in Japan, May 2019）」、online、２０１９年９月１２日発表、２０２１年２月２４日検索、インターネット＜http://www.soumu.go.jp/main_content/000644015.pdf＞
【非特許文献2】K. Sato, M. Kitamura, K. Inage, and T. Fujii、「Measurement-based Spectrum Database for Flexible Spectrum Management」、IEICE Trans Commun.、vol. E98-B、no. 10、pp. 2004-2013、２０１５年１０月発行
【非特許文献3】M. Musashi, K. Adachi、「Spectrum Database Aided Prior Vacant Frequency Band Detection for Spectrum Sharing」、2020 International Conference on Artificial Intelligence in Information and Communication (ICAIIC)、pp. 262-266、Fukuoka、２０２０年２月発行
【非特許文献4】P. Dent, G.E. Bottomley, and T. Croft、「Jakes Fading Model Revisited」、Electronics Letters、vol.29、Issue 13、pp. 1162-1163、１９９３年６月２４日
【非特許文献5】H. Claussen、「Efficient Modelling of Channel Maps with Correlated Shadow Fading in Mobile Radio Systems」、2005 IEEE 16th International Symposium on Personal、Indoor and Mobile Radio Communications、pp512-516、Berlin、２００５年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
高い信頼性の無線通信を実現するための周波数割り当て方法、無線通信システムおよび周波数割り当てプログラムを提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【0012】
以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0013】
一実施の形態によれば、周波数割り当て方法は、一次利用者（ＰＵ）が複数の周波数（ｆ）を利用する領域（９）における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意すること（Ｓ２）と、領域（９）における二次利用者（ＳＵ）による一次利用者（ＰＵ）と同じ周波数（ｆ）の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定すること（Ｓ４、Ｓ５）と、それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数（ｆ）を二次利用者（ＳＦ）に割り当てること（Ｓ６）とを含む。判定すること（Ｓ５）は、それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における無線情報を取得することと、複数の観測点のうちの最初の観測点より後の観測点における無線情報を、電波環境マップ情報に基づいて推定することと、最初の観測点における無線情報と、後の観測点における無線情報とを、所定の閾値と比較して、それぞれの周波数割り当て時間における共用の可否を判定すること（Ｓ５１、Ｓ５４）とを含む。
【0014】
一実施の形態によれば、無線通信システム（１）は、スペクトラムデータベース（３）と、演算装置（２１）とを備える。スペクトラムデータベース（３）は、一次利用者（ＰＵ）が複数の周波数（ｆ）を利用する領域（９）における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を格納する。演算装置（２１）は、領域（９）における二次利用者（ＳＵ）による一次利用者（ＰＵ）と同じ周波数（ｆ）の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定し、それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数（ｆ）を二次利用者（ＳＵ）に割り当てる。演算装置（２１）は、それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における無線情報を取得し、複数の観測点のうちの最初の観測点より後の観測点における無線情報を、電波環境マップ情報に基づいて推定し、最初の観測点における無線情報と、後の観測点における無線情報とを、所定の閾値と比較して、それぞれの周波数割り当て時間における共用の可否を判定する。
【0015】
一実施の形態によれば、周波数割り当てプログラム（２２１）は、演算装置（２１）が実行することによって所定の処理を実現するための周波数割り当てプログラム（２２１）である。この処理は、一次利用者（ＰＵ）が複数の周波数（ｆ）を利用する領域（９）における無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を用意すること（Ｓ２）と、領域（９）における二次利用者（ＳＵ）による一次利用者（ＰＵ）と同じ周波数（ｆ）の共用の可否を、複数の周波数割り当て時間のそれぞれにおいて判定すること（Ｓ４、Ｓ５）と、それぞれの周波数割り当て時間において、共用可能な周波数（ｆ）を二次利用者（ＳＦ）に割り当てること（Ｓ６）とを含む。判定すること（Ｓ５）は、それぞれの周波数割り当て時間に含まれる複数の観測点のうちの最初の観測点における無線情報を取得することと、複数の観測点のうちの最初の観測点より後の観測点における無線情報を、電波環境マップ情報に基づいて推定することと、最初の観測点における無線情報と、後の観測点における無線情報とを、所定の閾値と比較して、それぞれの周波数割り当て時間における共用の可否を判定すること（Ｓ５１、Ｓ５４）とを含む。
【発明の効果】
【0016】
一実施の形態によれば、高い信頼性の無線通信を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
添付図面を参照して、本発明による周波数割り当て方法、無線通信システムおよび周波数割り当てプログラムを実施するための形態を以下に説明する。
【0019】
（実施の形態）
一実施の形態では、上述した非特許文献２（K. Sato, M. Kitamura, K. Inage, and T. Fujii、「Measurement-based Spectrum Database for Flexible Spectrum Management」、IEICE Trans Commun.、vol. E98-B、no. 10、pp. 2004-2013、２０１５年１０月発行）によるスペクトラムデータベースを用いた非特許文献３（M. Musashi, K. Adachi、「Spectrum Database Aided Prior Vacant Frequency Band Detection for Spectrum Sharing」、2020 International Conference on Artificial Intelligence in Information and Communication (ICAIIC)、pp. 262-266、Fukuoka、２０２０年２月発行）による周波数割り当ての手法を改良して、高い信頼性の無線通信を実現する。具体的には、二次利用者から一次利用者への与干渉を低減し、二次利用者が周波数を切り替える回数を抑制することによって、周波数帯を共用する確率を向上させる。以降、周波数帯を単に周波数と記載する場合がある。
一実施の形態では、上述した非特許文献２（K. Sato, M. Kitamura, K. Inage, and T. Fujii、「Measurement-based Spectrum Database for Flexible Spectrum Management」、IEICE Trans Commun.、vol. E98-B、no. 10、pp. 2004-2013、２０１５年１０月発行）によるスペクトラムデータベースを用いた非特許文献３（M. Musashi, K. Adachi、「Spectrum Database Aided Prior Vacant Frequency Band Detection for Spectrum Sharing」、2020 International Conference on Artificial Intelligence in Information and Communication (ICAIIC)、pp. 262-266、Fukuoka、２０２０年２月発行）による周波数割り当ての手法を改良して、高い信頼性の無線通信を実現する。具体的には、二次利用者から一次利用者への与干渉を低減し、二次利用者が周波数を切り替える回数を抑制することによって、周波数帯を共用する確率を向上させる。以降、周波数帯を単に周波数と記載する場合がある。
【0020】
図１Ａに示すように、一実施形態による無線通信システム１は、少なくとも、サーバ２と、スペクトラムデータベース３とを備える。図１Ａの例では、スペクトラムデータベース３がサーバ２に含まれているが、一実施の形態はこの例に限定されず、スペクトラムデータベース３はサーバ２の外部に設けられていてもよい。
【0021】
スペクトラムデータベース３は、領域９に配置された複数のセンサ４のそれぞれから収集された無線情報に基づいて生成された電波環境マップ情報を格納する。スペクトラムデータベース３は、無線情報をさらに格納してもよい。無線情報は、例えば、複数のセンサ４が受信した信号の強度を表す受信信号強度情報を含む。この信号の周波数は、一次利用者が利用する周波数である。一次利用者が複数の周波数を利用する場合は、無線情報は、これら複数の周波数のそれぞれを有する複数の信号の受信信号強度情報を含む。
【0022】
領域９は、複数のメッシュ９０に分割されている。図１Ａの例では、それぞれのメッシュ９０にセンサ４が１つずつ配置されている。図１Ａの例では、それぞれのメッシュ９０は一辺がｘｍｅｓｈの正方形であるが、一実施の形態はこの例に限定されない。
【0023】
図１Ｂに示すように、それぞれのメッシュ９０は、複数のグリッド９００に分割されている。図１Ｂの例では、それぞれのメッシュ９０に含まれる複数のグリッド９００の１つに１つのセンサ４が配置されている。一実施の形態において、それぞれのメッシュ９０における、センサ４が配置されているグリッド９００の位置は、同じである。図１Ｂの例では、それぞれのグリッド９００は一辺がｘｇｒｉｄの正方形であるが、一実施の形態はこの例に限定されない。
【0024】
図２に示すように、サーバ２はコンピュータを含んでいてもよい。すなわち、サーバ２は、バス２０と、演算装置２１と、記憶装置２２と、インタフェース２３と、通信装置２４とを備える。演算装置２１、記憶装置２２、インタフェース２３および通信装置２４は、バス２０に、互いに通信可能に接続されている。
【0025】
記憶装置２２は、周波数割り当てプログラム２２１と、スペクトラムデータベース３とを格納している。周波数割り当てプログラム２２１は、インタフェース２３または通信装置２４を介して外部から受信されて記憶装置２２に格納されてもよいし、記録媒体２２０から読み出されて記憶装置２２に格納されてもよい。
【0026】
演算装置２１は、周波数割り当てプログラム２２１を実行することによって、一実施の形態による周波数割り当て方法の処理を実現する。
【0027】
図３のフローチャートを参照して、一実施の形態による周波数割り当て方法の一構成例について説明する。一実施の形態による周波数割り当て方法では、一次利用者ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３が複数の周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を利用する領域９において、二次利用者ＳＵ１が同じ周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のいずれかを共用できるとき、共用可能な周波数を二次利用者ＳＵ１に割り当てる。
【0028】
なお、一実施の形態において、一次利用者ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３の総数Ｎ（ＰＵ）は３であるが、一実施の形態はこの例に限定されない。一次利用者ＰＵ１、…、ＰＵＮ（ＰＵ）を区別しないとき、これらを一次利用者ＰＵと総称する。一次利用者ＰＵが利用する周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の総数は、一次利用者ＰＵの総数Ｎ（ＰＵ）と同じであってもよい。周波数ｆ１、…、ｆＮ（ＰＵ）を区別しないとき、これらを周波数ｆと総称する。言い換えれば、１からＮ（ＰＵ）までの整数ｉにおいて、一次利用者ＰＵｉは周波数ｆｉを利用してもよい。二次利用者ＳＵ１の総数Ｎ（ＳＵ）は１であるが、一実施の形態はこの例に限定されない。二次利用者ＳＵ１、…、ＳＵＮ（ＳＵ）を区別しないとき、これらを二次利用者ＳＵと総称する。
【0029】
図４に示すように、一次利用者ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３は領域９に配置されており、図示しない装置との間で無線通信を行う。また、二次利用者ＳＵ１は、領域９の内側の移動経路８Ａ、８Ｂを移動しながら、図示しない別の装置との間で無線通信を行う。二次利用者ＳＵ１が無線通信および／または移動を開始する前に、周波数割り当て方法が開始されてもよい。
【0030】
周波数割り当て方法が開始されると、ステップＳ１が実行される。ステップＳ１において、スペクトラムデータベース３がセンサ４から無線情報を収集する。スペクトラムデータベース３は、サーバ２の演算装置２１の制御下で無線情報を収集してもよい。無線情報は、サーバ２の通信装置２４を介してセンサ４からスペクトラムデータベース３に収集されてもよい。一実施の形態において、無線情報は、周波数ｆのそれぞれについてセンサ４が受信した信号の強度を表す受信信号強度情報を含む。
【0031】
受信信号強度情報が表す受信信号強度は、以下の（１）式のように定義される。
ＰＲＥＭ，ｉ＝Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ＋ＰＬ＋ＰＳＨ …（１）
上記の（１）式において、「ＰＲＥＭ，ｉ」は、ｉ番目の一次利用者ＰＵｉから送信された送信信号をセンサ４が受信した受信信号の受信電力であり、その単位はｄＢｍである。「Ｐｔ」は、送信信号の送信電力でありその単位はｄＢｍである。「Ｇｔ」は、送信機のアンテナ利得である。「Ｇｒ」は、受信機のアンテナ利得である。「ＰＬ」は、送信機と受信機の間のパスロスであり、その単位はｄＢｍである。「ＰＳＨ」は、シャドウィング電力であり、その単位はｄＢｍである。
ＰＲＥＭ，ｉ＝Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ＋ＰＬ＋ＰＳＨ …（１）
上記の（１）式において、「ＰＲＥＭ，ｉ」は、ｉ番目の一次利用者ＰＵｉから送信された送信信号をセンサ４が受信した受信信号の受信電力であり、その単位はｄＢｍである。「Ｐｔ」は、送信信号の送信電力でありその単位はｄＢｍである。「Ｇｔ」は、送信機のアンテナ利得である。「Ｇｒ」は、受信機のアンテナ利得である。「ＰＬ」は、送信機と受信機の間のパスロスであり、その単位はｄＢｍである。「ＰＳＨ」は、シャドウィング電力であり、その単位はｄＢｍである。
【0032】
一実施の形態では、非特許文献５（H. Claussen、「Efficient Modelling of Channel Maps with Correlated Shadow Fading in Mobile Radio Systems」、2005 IEEE 16th International Symposium on Personal、Indoor and Mobile Radio Communications、pp512-516、Berlin、２００５年９月）に開示されている空間相関を持つシャドウィングを考慮する。ここで、各グリッド９００におけるシャドウィングの値は、そのグリッド９００の近傍に配置されている８個のグリッド９００との相関による計算から得られる。各メッシュ９０に含まれるグリッド９００から、シャドウィングの最大値と最小値の差を取り、全てのメッシュ９０における差を用いて分布を算出する。
【0033】
ステップＳ１の後に、ステップＳ２が実行される。ステップＳ２において、サーバ２の演算装置２１が無線情報に基づいて干渉分布のモデル化を行う。このモデル化は、事前に計算機シミュレーションにより作成してもよいし、伝搬環境推定式などから作成してもよい。モデル化された干渉分布は、領域９におけるそれぞれの周波数ｆにおける無線情報の分布を表す電波環境マップ情報を含む。一例として、センサ４の位置で得られた無線情報から、センサ４の間の任意の位置における無線情報を推定することによって、電波環境マップ情報が得られる。
【0034】
なお、ステップＳ１とステップＳ２の処理は、二次利用者ＳＵ１が移動を開始する前に実行されてもよい。
【0035】
ステップＳ２の後に、ステップＳ３が実行される。ステップＳ３において、サーバ２の演算装置２１が、二次利用者ＳＵ１の移動経路８Ａ、８Ｂを推定する。一実施の形態において、演算装置２１は、二次利用者ＳＵ１の移動経路８Ａ、８Ｂを把握している。一例として、二次利用者ＳＵ１は、サーバ２に接続されたカーナビゲーションシステムによって設定された移動経路８Ａ、８Ｂに沿って移動する。演算装置２１は、二次利用者ＳＵ１の所定の時刻における位置を推定することもできる。
【0036】
ステップＳ３の後に、ステップＳ４が実行される。ステップＳ４において、サーバ２の演算装置２１は、センサ４から現時刻の無線情報を取得する。この時刻は、その時注目している周波数割り当て時間の開始時刻である。取得された無線情報は、スペクトラムデータベース３に格納されてもよい。
【0037】
ここで取得される現時刻の無線情報に含まれる受信信号強度情報が表す受信信号強度は、以下の（２）式のように定義される。
Ｐｒ，ｉ，ｊ＝Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ＋ＰＬ＋ＰＳＨ＋ＰＦ …（２）
上記の（２）式において、「Ｐｒ，ｉ，ｊ」は、ｊ番目の二次利用者ＳＵｊが送信した送信信号をｉ番目の一次利用者ＰＵｉが受信した受信信号の受信電力であり、その単位はｄＢｍである。「ＰＦ」は、フェージング電力であり、その単位はｄＢｍである。「Ｇｔ」、「Ｇｒ」、「ＰＬ」および「ＰＳＨ」は、上記の（１）式で説明したとおりである。
Ｐｒ，ｉ，ｊ＝Ｐｔ＋Ｇｔ＋Ｇｒ＋ＰＬ＋ＰＳＨ＋ＰＦ …（２）
上記の（２）式において、「Ｐｒ，ｉ，ｊ」は、ｊ番目の二次利用者ＳＵｊが送信した送信信号をｉ番目の一次利用者ＰＵｉが受信した受信信号の受信電力であり、その単位はｄＢｍである。「ＰＦ」は、フェージング電力であり、その単位はｄＢｍである。「Ｇｔ」、「Ｇｒ」、「ＰＬ」および「ＰＳＨ」は、上記の（１）式で説明したとおりである。
【0038】
一実施の形態では、非特許文献４（P. Dent, G.E. Bottomley, and T. Croft、「Jakes Fading Model Revisited」、Electronics Letters、vol.29、Issue 13、pp. 1162-1163、１９９３年６月２４日）に開示されている、レイリー分布に従うＪａｋｅｓフェージングモデルを考慮する。ここで、無線信号のランダムな到来方向と位相を用いて、フェージングの変動分布を算出する。
【0039】
ステップＳ４の後に、ステップＳ５が実行される。ステップＳ５において、サーバ２の演算装置２１は、周波数割り当て時間ごとに、二次利用者ＳＵ１による、一次利用者ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３と同じ周波数の共用の可否を判定する。
【0040】
【0041】
図３のステップＳ５が開始すると、図５ＡのステップＳ５１が実行される。ステップＳ５１において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している周波数割り当て時間の最初のスロットの最初の観測点の無線情報が閾値より小さいかどうかを判定する。図６に示すように、それぞれの周波数割り当て時間は、Ｎｓｌｏｔ個のスロットに分割されている。それぞれの周波数割り当て時間の長さはＴａｌｌｏｃであり、それぞれのスロットの長さはＴｓｌｏｔであり、ＴａｌｌｏｃはＴｓｌｏｔとＮｓｌｏｔとを掛け算した積に等しい。さらに、それぞれのスロットには、図示しない複数の観測点が時間軸上に配置されている。任意の連続する２つの観測点の間の時間間隔は同じであることが好ましい。
【0042】
一例として、シミュレーション諸元として後に示すように、それぞれの周波数割り当て時間の長さＴａｌｌｏｃは５分であり、それぞれの周波数割り当て時間のスロット数Ｎｓｌｏｔは５であり、それぞれのスロットの長さＴｓｌｏｔは１分である。また、それぞれのスロットに含まれる観測点の数Ｎａｌｇは６０であり、任意の隣接する２つの観測点の間の時間は１秒である。
【0043】
サーバ２の演算装置２１は、ステップＳ４において、現在注目している周波数割り当て時間が開始するときの無線情報を取得している。言い換えれば、現在注目している周波数割り当て時間の最初のスロットの最初の観測点における無線情報はステップＳ４で取得されている。演算装置２１は、この無線情報が閾値より小さいかどうかを判定することによって、この時刻において周波数共用が可能かどうかを判定する。
【0044】
具体的には、現在注目している周波数割り当て時間の最初のスロットの最初の観測点の無線情報に含まれる受信信号強度が所定の干渉閾値以上である場合（Ｎｏ）は、二次利用者ＳＵ１から一次利用者ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３への与干渉は十分に大きく、したがってこの観測点における周波数共用は不可と判定され、処理は図５ＢのステップＳ５２へ進む。反対に、受信信号強度が干渉閾値より小さい場合（Ｙｅｓ）は、この観測点における周波数共用は可能と判定され、処理は図５ＡのステップＳ５３へ進む。
【0045】
なお、二次利用者ＳＵが複数である場合は、二次利用者ＳＵから一次利用者ＰＵへの与干渉は、それぞれの二次利用者ＳＵから一次利用者ＰＵへの与干渉を合成した合成与干渉であり、以下の「数１」式のように定義される。
上記の「数１」式において、「Ｉ」は二次利用者ＳＵから一次利用者ＰＵへの合成与干渉であり、「Ｎ（ＳＵ）」は二次利用者ＳＵの総数であり、「Ｐｉ」はｉ番目の二次利用者ＳＵｉから一次利用者ＰＵへの与干渉である。
【数1】
【0046】
図７、図８、図９を参照して干渉閾値について説明する。一実施の形態では、注目している時刻における二次利用者ＳＵの位置の無線情報を電波環境マップ情報からＲＥＭ（Ｒａｄｉｏ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍａｐ：電波環境マップ）情報電力として読み出すことができる。図７に示すように、干渉閾値からこのＲＥＭ情報電力を引き算した差分が、周波数共用が可能となる場合の、フェージング変動ΔＰＦＡとシャドウィング誤差ΔＰＳＨとの合計における許容範囲である。
【0047】
図８は、一実施の形態によるフェージング電力とそのＣＤＦ（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：累積分布関数）との一関係例を示すグラフである。一実施の形態において、この関係は既知である。フェージング電力のＣＤＦを所定の確率に固定することによって、対応するフェージング変動ΔＰＦＡが得られる。干渉閾値からフェージング変動ΔＰＦＡを引き算することによって、周波数共用が可能となる場合のシャドウィング誤差ΔＰＳＨの許容範囲が得られる。なお、シャドウィングの誤差幅を可能な限り大きく観測するため、フェージング電力のＣＤＦは、事前にモデル化したフェージングの変動分布（ＣＤＦ）に基づき最大変動電力より小さい電力となる確率の範囲に基づいて決定する。例えば、最大変動電力より数ｄＢ小さい電力となる確率範囲に設定することで、シャドウィング誤差による影響をより考慮するようになる。
【0048】
図９は、一実施の形態によるシャドウィング誤差電力の分布とそのＣＤＦとの一関係例を説明するためのグラフである。一実施の形態において、この関係は既知である。シャドウィング誤差ΔＰＳＨの許容範囲に基づいて、シャドウィング誤差電力の累積分布関数ＣＤＦＳＨが得られる。
【0049】
したがって、実際のシャドウィング電力ＰＳＨがシャドウィング誤差ΔＰＳＨより大きいとき、二次利用者ＳＵから一次利用者ＰＵへの干渉が発生する。このことは、以下の（３）式のように示される。
ｐ（ＰＳＨ＞ΔＰＳＨ）＝１－ＣＤＦＳＨ …（３）
上記の（３）式において、「ｐ（ｘ）」は事象「ｘ」の確率を表し、「ＰＳＨ」は実際のシャドウィング電力を表し、「ΔＰＳＨ」はシャドウィング誤差を表し、「ＣＤＦＳＨ」はシャドウィング誤差電力の累積分布関数を表す。言い換えれば、ΔＰＳＨが小さければ小さいほど干渉が発生する確率は高く、反対にΔＰＳＨが大きければ大きいほど干渉が発生する確率は低い。
ｐ（ＰＳＨ＞ΔＰＳＨ）＝１－ＣＤＦＳＨ …（３）
上記の（３）式において、「ｐ（ｘ）」は事象「ｘ」の確率を表し、「ＰＳＨ」は実際のシャドウィング電力を表し、「ΔＰＳＨ」はシャドウィング誤差を表し、「ＣＤＦＳＨ」はシャドウィング誤差電力の累積分布関数を表す。言い換えれば、ΔＰＳＨが小さければ小さいほど干渉が発生する確率は高く、反対にΔＰＳＨが大きければ大きいほど干渉が発生する確率は低い。
【0050】
図５ＢのステップＳ５２において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している観測点を含むスロットにおいて周波数共用は不可と記憶装置２２に記録する。このとき、あるスロットに含まれる観測点の少なくとも１つにおいて周波数共用が不可であれば、そのスロットの全体において周波数共用は不可と判定されることに注目されたい。ステップＳ５２の次に、処理はステップＳ５８へ進む。
【0051】
図５ＡのステップＳ５３において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している観測点の次の観測点に注目する。この観測点は、現在注目している周波数割り当て時間の最初のスロットの２番目の観測点である。
【0052】
ステップＳ５３の後に、図５ＢのステップＳ５４が実行される。ステップＳ５４において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している観測点の無線情報が閾値より小さいかどうかを判定する。この判定は、図５ＡのステップＳ５１の判定と同様に行われるが、以下の点が異なる。すなわち、ステップＳ５１では判定を行う時点（厳密には直前）に取得した無線情報と干渉閾値とを比較したが、ステップＳ５４では過去に取得した無線情報と干渉閾値とを比較する。言い換えれば、ステップＳ５４で行われる判定で注目している観測点は、判定が行われる周波数割り当て時間の最初の観測点の時刻から見て未来の観測点である。具体的には、スペクトラムデータベース３に格納されている電波環境マップ情報に含まれる無線情報と干渉閾値とを比較する。無線情報が干渉閾値以上である場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳ５２に進む。反対に、無線情報が閾値より小さい場合（Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ５５に進む。
【0053】
ステップＳ５５において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している観測点が、現在注目しているスロットの最後の観測点であるかどうかを判定する。最後の観測点ではない場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳ５６へ進む。最後の観測点である場合（Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ５７へ進む。
【0054】
ステップＳ５６において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目している観測点の次の観測点に注目する。ステップＳ５６の後に、処理はステップＳ５４に戻る。処理がステップＳ５４、Ｓ５５、Ｓ５６を繰り返し、現在注目しているスロットに含まれる観測点の中で１つでも無線情報が閾値以上である場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳ５４からステップＳ５２へ進み、現在注目しているスロットの全体において周波数共用が不可と判定される。反対に、現在注目しているスロットに含まれる観測点の全てにおいて無線情報が閾値より小さい場合には、処理はステップＳ５６からステップＳ５７へ進む。
【0055】
ステップＳ５７において、サーバ２の演算装置２１は、干渉確率を算出し、注目しているスロットは周波数共用可能であると記憶装置２２に記録する。干渉確率の算出は、上記の（３）式のように行われる。
【0056】
ステップＳ５８において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目しているスロットが、現在注目している周波数割り当て時間の最後のスロットであるかどうかを判定する。最後のスロットではない場合（Ｎｏ）には、処理はステップＳ５９へ進む。反対に、最後のスロットである場合（Ｙｅｓ）には、図３のステップＳ５は終了し、処理は図３のステップＳ６へ進む。
【0057】
ステップＳ５９において、サーバ２の演算装置２１は、現在注目しているスロットの次のスロットに注目し、さらにその最初の観測点に注目する。ステップＳ５９の後に、処理はステップＳ５４に戻る。処理がステップＳ５４、Ｓ５５、Ｓ５７、Ｓ５８、Ｓ５９を繰り返すことで、現在注目している周波数割り当て時間に含まれる全てのスロットについて、周波数の共用の可否を判定することができる。その後、処理は図３のステップＳ６へ進む。
【0058】
ステップＳ５で周波数の共用の可否を判定するとき、注目している周波数割り当て時間に含まれる観測点のうち、最初の観測点と、その後の観測点とでは、判定の内容が異なることに注目されたい。すなわち、最初の観測点においては、上記の（３）式で定義された受信信号強度を含む無線情報と干渉閾値とを比較して判定を行う。その一方で、その後の観測点においては、上記の（２）式で定義された受信信号強度を含む無線情報を用いて算出された電波環境マップ情報と干渉閾値とを比較して判定を行う。
【0059】
図３のステップＳ６において、サーバ２の演算装置２１は、周波数の割り当てを行う。周波数の割り当ては、周波数割り当て時間ごとに、その周波数割り当て時間に含まれるスロットの周波数共用の可否の判定に基づいて行われる。
【0060】
具体的には、一次利用者ＰＵ１～ＰＵＮ（ＰＵ）が利用する周波数ｆ１～ｆＮ（ＰＵ）のうち、現在注目している周波数割り当て時間に含まれるいずれかのスロットで共用が可能と判定された周波数が、その周波数割り当て時間において二次利用者ＳＵが共用するように割り当てられる。ここで、共用が可能と判定された周波数が複数ある場合には、周波数切り替え回数と、干渉確率とを考慮していずれかの周波数を選択して割り当てることについて、図１０、図１１、図１２、図１３を参照して説明する。
【0061】
共用が可能と判定された周波数の中から割り当てる周波数を、周波数切り替え回数を考慮して選択することについて説明する。ある周波数割り当て時間において共用可能な周波数を割り当てられた二次利用者ＳＵは、この周波数割り当て時間に含まれるスロットのうちの、共用が可能であるスロットにおいては周波数を共用し、共用が不可であるスロットにおいては周波数を共用しない。このとき、連続する２つのスロットの一方で共用が可能であり、他方で共用が不可である場合には、これら２つのスロットの間で周波数の使用と不使用の切り替えが発生する。このような切り替えが発生する回数を周波数切り替え回数と呼ぶ。このような切り替えが発生すると、二次利用者ＳＵの無線通信の効率が下がるので、周波数切り替え回数がより少ない周波数を選択することが好ましい。一例として、１つの周波数割り当て時間における周波数切り替え回数を０または１に抑える場合について説明する。言い換えれば、周波数切り替え回数が閾値より小さい周波数を選択し、この閾値が２である場合について説明する。
【0062】
図１０は、注目している周波数割り当て時間が５つのスロットに分割されており、その直前の周波数割り当て時間の最後のスロットでは周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のいずれもが共用されていなかった例を示している。
【0063】
図１０の例では、周波数ｆ１を共用することが、第１、第２、第３のスロットでは可能であり、第４、第５のスロットでは不可である。ここで、第１、第２のスロットでは干渉確率が比較的低く、第３のスロットでは干渉確率が比較的高い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ１を割り当てると、第１のスロットの開始時に共用しない状態から共用する状態への切り替えが発生し、さらに、第４スロットの開始時に共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ１を共用する場合の周波数切り替え回数は２である。
【0064】
同様に、図１０の例では、周波数ｆ２を共用することが、第１、第２のスロットでは不可であり、第３、第４、第５のスロットでは可能である。ここで、第３、第４、第５のスロットでは干渉確率が比較的低い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ２を割り当てると、第３スロットの開始時に共用しない状態から共用する状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ２を共用する場合の周波数切り替え回数は１である。
【0065】
同様に、図１０の例では、周波数ｆ３を共用することが、第１、第５のスロットでは不可であり、第２、第３、第４のスロットでは可能である。ここで、第２、第３、第４のスロットでは干渉確率が比較的低い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ３を割り当てると、第２のスロットの開始時に共用しない状態から共用する状態への切り替えが発生し、さらに、第５スロットの開始時に共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ３を共用する場合の周波数切り替え回数は２である。
【0066】
割り当てる周波数を選択するときに周波数切り替え回数を考慮する場合、図１０の例では、周波数切り替え回数が閾値より少ない周波数ｆ２が割り当てられる。
【0067】
図１１は、注目している周波数割り当て時間が５つのスロットに分割されており、その直前の周波数割り当て時間の最後のスロットでは周波数ｆ１が共用されていた例を示している。
【0068】
図１１の例では、周波数ｆ１を共用することが、第１、第２、第３のスロットでは可能であり、第４、第５のスロットでは不可である。ここで、第１、第２のスロットでは干渉確率が比較的低く、第３のスロットでは干渉確率が比較的高い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ１を割り当てると、第４スロットの開始時に共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ１を共用する場合の周波数切り替え回数は１である。
【0069】
図１１の例では、周波数ｆ２を共用することが、第１、第２のスロットでは不可であり、第３、第４、第５のスロットでは可能である。ここで、第３、第４、第５のスロットでは干渉確率が比較的低い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ２を割り当てると、第１のスロットの開始時に周波数ｆ２を共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、第３スロットの開始時に共用しない状態から共用する状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ２を共用する場合の周波数切り替え回数は２である。
【0070】
図１１の例では、周波数ｆ３を共用することが、第１、第５のスロットでは不可であり、第２、第３、第４のスロットでは可能である。ここで、第２、第３、第４のスロットでは干渉確率が比較的低い。この場合、周波数割り当て時間に周波数ｆ３を割り当てると、第１のスロットの開始時に周波数ｆ２を共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、第２のスロットの開始時に共用しない状態から共用する状態への切り替えが発生し、さらに、第５スロットの開始時に共用する状態から共用しない状態への切り替えが発生し、他のスロットの開始時には切り替えが発生しない。したがって、周波数ｆ３を共用する場合の周波数切り替え回数は３である。
【0071】
割り当てる周波数を選択するときに周波数切り替え回数を考慮する場合、図１１の例では、周波数切り替え回数が閾値より少ない周波数ｆ１が割り当てられる。
【0072】
共用が可能と判定された周波数の中から割り当てる周波数を、周波数切り替え回数に加えて干渉確率も考慮して選択することについて説明する。一例として、このような場合、まず、周波数切り替え回数が閾値以上の周波数を除外し、残った周波数の中から、干渉確率が比較的高いスロットの数がより少ない周波数を選択して周波数割り当て時間に割り当てる。
【0073】
図１２は、注目している周波数割り当て時間が５つのスロットに分割されており、その直前の周波数割り当て時間の最後のスロットでは周波数ｆ２が共用されていた例を示している。
【0074】
図１２の例では、周波数ｆ１を共用することが全てのスロットで可能である。ここで、第１、第３、第４、第５のスロットでは干渉確率が比較的低く、第２のスロットでは干渉確率が比較的高い。周波数切り替え回数は、第１のスロットの開始時の１回である。
【0075】
図１２の例では、周波数ｆ２を共用することが全てのスロットで可能である。ここで、第１、第２、第５のスロットでは干渉確率が比較的低く、第３、第４のスロットでは干渉確率が比較的高い。周波数切り替え回数はゼロ回である。
【0076】
図１２の例では、周波数ｆ３を共用することが、第１、第５のスロットでは不可であり、第２、第３、第４のスロットでは可能である。ここで、第２、第３、第４のスロットでは干渉確率が比較的低い。周波数切り替え回数は、第１、第２、第５のスロットの開始時の３回である。
【0077】
割り当てる周波数を選択するときに、周波数切り替え回数と干渉確率とを考慮する場合、図１２の例では、まず、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のうち、周波数切り替え回数が閾値より少ない周波数ｆ１、ｆ２が候補に残る。次に、周波数ｆ１、ｆ２のうち、干渉確率が比較的高いスロットの数がより少ない周波数ｆ１が選択されて、注目している周波数割り当て時間に割り当てられる。
【0078】
図１３は、注目している周波数割り当て時間が５つのスロットに分割されており、その直前の周波数割り当て時間の最後のスロットでは周波数ｆ２が共用されていた例を示している。
【0079】
図１３の例では、周波数ｆ１を共用することが全てのスロットで可能である。ここで、第１、第４、第５のスロットでは干渉確率が比較的低く、第２、第３のスロットでは干渉確率が比較的高い。周波数切り替え回数は、第１のスロットの開始時の１回である。
【0080】
図１３の例では、周波数ｆ２を共用することが、第１、第２、第３のスロットでは可能であり、第４、第５のスロットでは不可である。ここで、第１、第２のスロットでは干渉確率が比較的低く、第３のスロットでは干渉確率が比較的高い。周波数切り替え回数は、第４のスロットの開始時の１回である。
【0081】
図１３の例では、周波数ｆ３を共用することが、第１、第５のスロットでは不可であり、第２、第３、第４のスロットでは可能である。ここで、第２、第３、第４のスロットでは干渉確率が比較的低い。周波数切り替え回数は、第１、第２、第５のスロットの開始時の３回である。
【0082】
割り当てる周波数を選択するときに、周波数切り替え回数と干渉確率とを考慮する場合、図１２の例では、まず、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のうち、周波数切り替え回数が閾値より少ない周波数ｆ１、ｆ２が候補に残る。次に、周波数ｆ１、ｆ２のうち、干渉確率が比較的高いスロットの数がより少ない周波数ｆ２が選択されて、注目している周波数割り当て時間に割り当てられる。
【0083】
発明者らは、上記に説明した一実施の形態としての提案手法による周波数割り当て方法、無線通信システム１および周波数割り当てプログラム２２１の有用性を、コンピュータシミュレーションによって確認した。一実施の形態に対する比較対象としての関連技術では、注目している周波数割り当て時間の開始時刻における判定のみを用いてその周波数割り当て時間に割り当てる周波数を決定する。このコンピュータシミュレーションで用いられる諸元は、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃのとおりである。
【0084】
このコンピュータシミュレーションにおける評価指標は、共用確率、干渉確率および周波数切り替え回数である。
【0085】
評価指標としての干渉確率は、一次利用者ＰＵが無線通信を行っている間に二次利用者ＳＵが一次利用者ＰＵと同じ周波数で無線通信を行った際に無線情報が干渉閾値を超過する確率である。したがって、干渉確率はより低いことが好ましい。図１５は、シミュレーション結果の一例として、一実施の形態としての提案手法による干渉確率を表すグラフＧ１１と、比較対象としての関連技術による干渉確率を表すグラフＧ１２とを示している。図１５から読み取れるように、提案手法では関連技術に対して干渉確率を相対的に８２．２％抑制できている。この要因として、一実施の形態によれば、干渉が発生する原因となるフェージング変動ΔＰＦＡとシャドウィング誤差ΔＰＳＨを考慮して周波数の割り当てを行えることが挙げられる。
【0086】
評価指標としての共用確率は、二次利用者ＳＵが一次利用者ＰＵと同じ周波数で無線通信を行う確率である。したがって、共用確率は高い方が好ましい。図１６は、シミュレーション結果の一例として、一実施の形態としての提案手法による共用確率を表すグラフＧ２１と、比較対象としての関連技術による共用確率を表すグラフＧ２２とを示している。図１６から読み取れるように、提案手法では関連技術に対して共用確率が相対的に２８．３％減少しているが、干渉確率の大幅な抑制を実現しながら７０％を超える高水準の共用確率を確保できている。
【0087】
評価指標としての周波数切り替え回数は、二次利用者ＳＵが利用する周波数を切り替える回数の平均値である。したがって、周波数切り替え回数はより少なくことが好ましい。図１７は、シミュレーション結果の一例として、一実施の形態としての提案手法による周波数切り替え回数を表すグラフＧ３１と、比較対象としての関連技術による周波数切り替え回数を表すグラフＧ３２とを示している。図１７から読み取れるように、提案手法では関連技術に対して周波数切り替え回数が相対的に１６．２％増大しているが、平均６回未満という十分に低い値に抑制できている。
【0088】
上記に説明したように、一実施形態による周波数割り当て方法、無線通信システム１および周波数割り当てプログラム２２１によれば、一次利用者ＰＵと同じ周波数ｆを二次利用者ＳＵが共用するときに、周波数切り替え回数を抑制し、高い共用確率を達成しつつ、干渉確率を低減できる。その結果、同じ周波数を複数の利用者が使用でき、かつ、通信品質の劣化を抑制することができるので、信頼性がより高い無線通信が実現される。
【0089】
以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。
【0090】
上記の実施の形態では、スペクトラムデータベース３がサーバ２に含まれている例について説明したが、一実施の形態はこの例に限定されない。一変形例において、スペクトラムデータベース３はサーバ２の外部に存在してもよい。この変形例において、スペクトラムデータベース３はサーバ２のインタフェース２３または通信装置２４に接続されていてもよい。
【符号の説明】
【0091】
１ 無線通信システム
２ サーバ
２０ バス
２１ 演算装置
２２ 記憶装置
２２０ 記録媒体
２２１ 周波数割り当てプログラム
２３ インタフェース
２４ 通信装置
３ スペクトラムデータベース
４ センサ
８Ａ、８Ｂ 移動経路
９ 領域
９０ メッシュ
９００ グリッド
ＣＤＦ（ΔＰＦＡ） フェージング電力の累積分布関数
ＣＤＦＳＨ シャドウィング誤差電力の累積分布関数
ΔＰＦＡ フェージング電力
ΔＰＳＨ シャドウィング誤差電力
ｆ１、ｆ２、ｆ３ 周波数
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ３１、Ｇ３２ グラフ
Ｎａｌｇ 観測点の数
Ｎｓｌｏｔ スロット数
Ｐａ，ｔｈ 周波数割り当て閾値
Ｐｉ，ｔｈ 干渉閾値
ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３ 一次利用者
ＳＵ、ＳＵ１ 二次利用者
Ｔａｌｌｏｃ 周波数割り当て時間
ｘｇｒｉｄ グリッドサイズ
ｘｍｅｓｈ メッシュサイズ
２ サーバ
２０ バス
２１ 演算装置
２２ 記憶装置
２２０ 記録媒体
２２１ 周波数割り当てプログラム
２３ インタフェース
２４ 通信装置
３ スペクトラムデータベース
４ センサ
８Ａ、８Ｂ 移動経路
９ 領域
９０ メッシュ
９００ グリッド
ＣＤＦ（ΔＰＦＡ） フェージング電力の累積分布関数
ＣＤＦＳＨ シャドウィング誤差電力の累積分布関数
ΔＰＦＡ フェージング電力
ΔＰＳＨ シャドウィング誤差電力
ｆ１、ｆ２、ｆ３ 周波数
Ｇ１１、Ｇ１２、Ｇ２１、Ｇ２２、Ｇ３１、Ｇ３２ グラフ
Ｎａｌｇ 観測点の数
Ｎｓｌｏｔ スロット数
Ｐａ，ｔｈ 周波数割り当て閾値
Ｐｉ，ｔｈ 干渉閾値
ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３ 一次利用者
ＳＵ、ＳＵ１ 二次利用者
Ｔａｌｌｏｃ 周波数割り当て時間
ｘｇｒｉｄ グリッドサイズ
ｘｍｅｓｈ メッシュサイズ
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15】
【図16】
【図17】