JP5649166B2 - 電波センサおよびデータ伝送方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばワイヤレスセンサネットワークなどに利用される電波センサおよびデータ伝送方法に関する。

ワイヤレスセンサネットワークの一つに、コグニティブ無線システムがある。このコグニティブ無線システムは、所定周波数の電波を受信し、その受信した電波のスペクトルを測定および解析する複数の電波センサと、各電波センサにより測定および解析された電波のスペクトル情報を収集して利用すべき周波数を決定するデータ集積装置とを備えている。

電波センサとデータ集積装置との間のメッセージ伝送を無線で行う場合、無線信号の競合や衝突が発生するとスループットが低下するため、無線信号の競合や衝突が発生し難いＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）方式を用いることが考えられる。

津村,檜垣"マルチホップ経路に基づくＴＤＭＡスロットの割り当て手法" 情報処理学会研究報告.EIP,[電子化知的財産・社会基盤]2007(91),73-78,2007-09-20

しかしながら、ＴＤＭＡ方式の場合、各電波センサはタイムスロットが割り当てられていない期間は無線アクセスをしない期間となり、その期間のうち電波の検知開始後一定の期間に測定および解析などの演算を行っているが、この演算期間が短いため、質の高いデータが得られないことがある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、検知対象の電波の状況を判定するための高品質のデータを収集することができる電波センサおよびデータ伝送方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る電波センサは、データの伝送に用いる搬送周波数を分割した複数のタイムスロットのうち、割り当てられたタイムスロットを用いてデータ伝送を行う電波センサにおいて、所定の周波数帯の電波を受信する受信部と、この電波センサ自身に割り当てられるタイムスロットによる報告期間までのスペクトル演算用の集積期間とこの電波センサよりも前にタイムスロットが割り当てられる他の電波センサの前記報告期間とを利用して前記電波のスペクトルを演算する演算部と、前記演算部により演算されたスペクトルの演算結果を、割り当てられたタイムスロットに載せて前記データ集積装置へ報告する送信部とを具備する。
本発明の実施形態に係るデータ伝送方法は、データ集積装置へデータを伝送するのに用いる搬送周波数を分割した複数のタイムスロットのうち、自身に割り当てられたタイムスロットを用いて電波センサがデータ伝送を行うデータ伝送方法において、所定の周波数帯の電波を前記電波センサが受信するステップと、この電波センサ自身に割り当てられるタイムスロットによる報告期間までのスペクトル演算用の集積期間とこの電波センサよりも前にタイムスロットが割り当てられる他の電波センサの前記報告期間とを前記電波センサが利用して前記電波のスペクトルを演算するステップと、前記電波センサが演算した結果のデータを、割り当てられたタイムスロットに載せて前記データ集積装置へ報告するステップとを有する。

本発明によれば、検知対象の電波の状況を判定するための高品質のデータを収集することができる電波センサおよびデータ伝送方法を提供することができる。

実施形態のコグニティブ無線システムの配置図である。 コグニティブ無線システムの概要構成図である。 各センサの機能構成図である。 データ集積装置の機能構成図である。 ＴＤＭＡ方式のデータフレームの構成を示す図である。 複数のセンサの第１動作例を示すタイミングチャートである。 複数のセンサの第２動作例を示すタイミングチャートである。 複数のセンサがＴＤＭＡ方式により無線通信を行う際の一般的なタイミングチャート（比較例）である。

以下、図面を参照し実施形態のコグニティブ無線システムについて詳細に説明する。図１，２に示すように、この実施形態のコグニティブ無線システムは、プライマリシステムの電波塔１から放送（送信）される電波（放送波）を受信するよう分散配置された複数の電波センサ２ａ〜２ｅ（以下センサ２ａ〜２ｅと称す）と、各センサ２ａ〜２ｅにより検知および演算(測定および解析)された電波のスペクトルのデータを収集してプライマリシステムの電波の状況(品質など)を認識し、対象の周波数が利用可能か否か判定し、利用すべき周波数を決定するデータ集積装置３とを有している。コグニティブ無線システムは、ワイヤレスセンサネットワークの一つである。複数のセンサ２ａ〜２ｅは、例えばオフィスビル内や商用施設内に点在するように位置されている。また電波塔１は屋外に設置されている。センサ２ａ〜２ｅは無線センサなどともいう。

図３に示すように、各センサ２ａ〜２ｅは、受信部２２、演算部２３、送信部２６を有している。演算部２３は、測定部２４と解析部２５を有している。

受信部２２はアンテナ２１を通じて所定の周波数帯、例えばＵＨＦ周波数帯(300MHz〜3000MHz(3GHz))程度の電波(例えばテレビジョン放送などの電波)を受信する。この周波数帯域をセンシングチャネル（第１チャネル）という。すなわちセンシングチャネルは、認識対象の周波数帯をスキャンするチャネルである。

演算部２３はタイムスロットが割り当てられていない無線活動休止期間に、受信部２２により受信された電波のスペクトルを演算（測定および解析）する。より詳細には、演算部２３は無線活動休止期間のうちタイムスロットによる報告期間を除いた期間に、受信部２２により受信された電波のスペクトルを演算（測定および解析）する。

例えば電波の検知を開始後、自身に割り当てられたタイムスロットの時間に達するまでの期間に演算（測定および解析）する。またタイムスロットにデータを載せて報告した後に生じる無線活動休止期間に次のフレームに載せるデータの演算を行う。無線活動休止期間を遊休期間という。

測定部２４は、受信部２２により受信された電波信号の強度を測定する。電波のスペクトルとは一定の周期の振幅を繰り返す信号の波長の順に並べた強度分布である。解析部２５は、測定部２４により測定された電波信号の強度を波長の順に並べた強度分布を解析することで、電波のスペクトルを得る。

送信部２６は演算部２３により演算された演算結果のデータ（電波のスペクトルのデータ、センサ自身の識別子など）を、データ集積装置３から自身に割り当てられたタイムスロットに載せてアンテナ２７を通じて送信することでデータ集積装置３へ報告する。送信部２６は例えばＰＨＳなどの無線システムの通信帯域を利用して無線送信を行う。

各センサ２ａ〜２ｅとデータ集積装置３との間の無線アクセスはＴＤＭＡ方式で行う。この無線アクセスに利用するチャネルをセンサチャネル（第２チャネル）という。ＴＤＭＡ方式では、各センサ２ａ〜２ｅは、データ集積装置３へデータを伝送するのに用いる搬送周波数を複数のタイムスロットに分割し、分割した複数のタイムスロットのうち、データ集積装置３により自身に割り当てられたタイムスロットを用いてデータ伝送を行う。

図４に示すように、データ集積装置３は、受信部３２、集積部３３、メモリ３４、判定部３５などを有している。

受信部３２は、各センサ２ａ〜２ｅからＴＤＭＡ方式で無線送信されたデータを受信する。集積部３３は、受信部３２により受信された各センサ２ａ〜２ｅからのデータを収集し、収集したデータを合成してメモリ３４に記憶する。

メモリ３４には、集積部３３により合成されたプライマリシステムの電波の状況(品質など)等のデータが記憶される。メモリ３４には、プライマリシステムの電波の状況(品質など)を判定するための閾値データ７や各センサ２ａ〜２ｅの識別子と対応させた位置データなどが予め記憶されている。またメモリ３４は、集積部３３および判定部３５によるデータ処理のための作業領域として機能する。

判定部３５は、集積部３３によりメモリ３４に記憶されたプライマリシステムの電波の状況(品質など)等のデータと閾値データとを比較することで、検知対象の電波の周波数が存在するか否かによって利用可能か否かを判定し、判定結果に応じて利用すべき周波数を決定する。

例えば電波の状況(品質など)等のデータの値が閾値データよりも高い場合、検知対象の電波の周波数（プライマリシステムの電波の周波数）が利用されているものと判定し、その周波数帯を除いた周波数帯を利用すべき周波数を決定する。

また電波の状況(品質など)等のデータの値が閾値データよりも低い場合、検知対象の電波の周波数（プライマリシステムの電波の周波数）が利用されていないものと判定し、その周波数帯を利用すべき周波数として決定する。

ここで、図５を用いてデータ集積装置３と各センサ２ａ〜２ｅとの間で送受されるデータフレームについて説明する。

図５に示すように、ＴＤＭＡ方式で無線送信されるデータは、複数のビーコンフレーム５１の時間間隔の中に、初期集積期間５２と報告用の複数のタイムスロット５３と設けられている。各ビーコンフレーム５１には、特定のアクションを指示するコマンド、各センサのための集積期間の情報、その他、同期に必要な情報などが含まれる。

以下、図６乃至図８を参照して、このコグニティブ無線システムの動作を説明する。以下説明を分かり易くするためにセンサ２ａ〜２ｅのうちの３つのセンサ２ａ〜２ｃの動作について説明する。まず第１の動作例を説明する。

このシステムでは、データ集積装置３は、分散された複数のセンサ２ａ〜２ｃによる無線アクセスを制御するための制御ノードとして動作する。

データ集積装置３は、各センサ２ａ〜２ｃが電波のスペクトルの検知を開始する前に各センサ２ａ〜２ｃに対してスロットを割り当てる情報を含むビーコンフレーム５１を送信する。

各センサ２ａ〜２ｃはタイムスロット割り当て情報を含むビーコンフレーム５１を受信すると、ビーコンフレーム５１からそれぞれ自身のタイムスロット割り当て情報を読み出し、割り当てられたタイムスロットに演算結果のデータを載せて報告するよう演算時間を決めて、電波の検知を開始する。

つまり、各センサ２ａ〜２ｃは電波のセンシングを開始し、おのおのの集積期間（図６のｔ1,ｔ2,ｔ3)を経過後、自身に割り当てられたタイムスロットを利用して報告を行う。

通常、図８の比較例のように、各センサ２ａ〜２ｃが電波の検知を開始してから演算を行い、演算結果を得るまでの集積期間ｔは全て同じ時間（一定）であり、電波の検知を開始してから演算結果を得るまでの時間に限りがあることから、個々のセンサの検知結果（演算結果）として、ある程度の品質が得られない場合がある。

そこで、この第１動作例では、図６に示すように、例えばセンサ２ａは、電波の検知を開始した後、ただちに第１集積期間ｔ1に演算を実行し、自身に割り当てられたタイムスロットｓ1に演算結果のデータを載せて報告し、遊休期間Ｉ1に入る。このセンサ２ａの動作は図８の比較例の動作と同じである。

一方、センサ２ｂは、センサ２ａと同時に電波の検知を開始し、演算についてはセンサ２ａが報告を終了するまでの期間である第２集積期間ｔ2に実行し、自身に割り当てられたタイムスロットｓ2に演算結果のデータを載せて報告し、遊休期間Ｉ2に入る。第２集積期間ｔ2は第１集積期間ｔ1とタイムスロットｓ1による報告の期間を足し併せた期間である。

センサ２ｃは、センサ２ａ，２ｂと同時に電波の検知を開始し、演算についてはセンサ２ｂが報告を終了するまでの期間である第３集積期間ｔ3に実行し、自身に割り当てられたタイムスロットｓ3に演算結果のデータを載せて報告する。

図８の比較例では、遊休期間Ｉ1が２回と遊休期間Ｉ2、Ｉ3が生じているのに対して、この図６の動作例では、センサ２ｂが、図８の集積期間ｔと遊休期間Ｉ3の分を、第２集積期間ｔ2として演算を実行するので、より質の高い演算結果が得られる。またセンサ２ｃは、図８の集積期間ｔと遊休期間Ｉ4の連続する時間分を足し併せた第３集積期間ｔ3に演算を実行するので、さらに高品質の演算結果が得られる。

したがって、データ集積装置３において、各センサ２ａ〜２ｃから収集された演算結果のデータを合成すると、高品質のデータを得ることができ、放送されている電波の有無や強度などを判定する上で、より確かな判定を行うことができる。
次に、図７を参照して第２の動作例を説明する。
この第２動作例の場合、図７に示すように、センサ２ａは、電波の検知を開始した後、ただちに第１集積期間ｔ1に演算を実行し、自身に割り当てられたタイムスロットｓ1に演算結果のデータを載せて報告する。その後、第１動作例では遊休期間Ｉ1（図６）であった期間に、次のフレームで送るデータを得るための演算を実行する集積期間ｔ4とする。

また、センサ２ｂは、センサ２ａと同時に電波の検知を開始し、演算については第２集積期間ｔ2に演算するだけでなく、報告後の遊休期間Ｉ2であった期間を集積期間ｔ5として、次のフレームで送るデータの演算を実行する。

センサ２ｃは、センサ２ａ，２ｂと同時に電波の検知を開始し、演算についてはセンサ２ｂが報告を終了するまでの期間（図８の集積期間ｔ1と遊休期間Ｉ4を足し併せた期間）である第３集積期間ｔ3に実行し、自身に割り当てられたタイムスロットｓ3に演算結果のデータを載せて報告する。

図８の比較例では、遊休期間Ｉ1が２回と遊休期間Ｉ2、Ｉ3が生じているのに対して、この図７の動作例では、センサ２ａについても第１集積期間ｔ1にさらに次のフレーム用の集積期間ｔ4が加えられ、より質の高い演算結果が得られる。またセンサ２ｂについては、図８の集積期間ｔと遊休期間Ｉ3の分を、第２集積期間ｔ2とし、さらに遊休期間Ｉ2の分を、次フレーム用の集積期間ｔ5として演算を実行するので、第１動作例よりもさらに演算時間を長くとれ、より質の高い演算結果が得られる。またセンサ２ｃは、図８の集積期間ｔと遊休期間Ｉ1の連続する時間分を足し併せた第３集積期間ｔ3に演算を実行するので、さらに質の高い演算結果が得られる。この第２動作例では、演算結果のデータの質的向上に加えて、遊休期間Ｉ1〜Ｉ4がなくなることから、センサ２ａ〜２ｅの動作効率についても向上することができる。

この実施形態によれば、通常、各センサ２ａ〜２ｃがデータ集積装置３と無線アクセスをしない遊休期間Ｉ1〜Ｉ4（図８）に、検知された電波のスペクトルを演算（測定および解析）することで（図６、図７）、演算結果のデータの品質が向上し、データ集積装置３では、各センサ２ａ〜２ｅから必要な品質のデータを収集することができる。つまり、検知対象の放送波の存在の有無など、検知対象の電波の状況を判定するための高品質のデータを収集することができる電波センサおよびデータ伝送方法を提供することができる。

ここで、遊休期間Ｉ1〜Ｉ4における演算について説明する。
この実施形態のように、各センサ２ａ〜２ｃに、より長い演算時間（センシング時間）を持たせることで、より高感度の結果が得られ、全体的なグローバルな検出確率Ｐｇを最大化することができる。

例えば演算の基本式である下記式

を変形し、拡張されたセンシング時間を組み入れると、

を得ることができる。
ここで、Ｐｇはグローバルな検出確率、Ｐｄｉはｉ次の検出確率、Ｐｄはローカルな検出確率、Ｔ’_ｓｅｎは拡張されたセンシング時間を表す。
Ｔ’_ｓｅｎは、

により与えられる。
上記式を変形して、拡張されたセンシング時間Ｔ’_ｓｅｎからセンシング時間Ｔ_ｓｅｎを求め、下記式

を計算することにより、ローカルな検出確率Ｐｄが求められる。但しγは閾値、
Ｑは標準正規分布の末端確率、Ｔ_ｓamはハードウェアを要素とする時間、ζは放送波のＳ／Ｎ比を示す。

なお、本発明は上記実施形態およびその動作例のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…電波塔、２a〜２e…センサ、３…データ集積装置、３１…アンテナ、３２…受信部、３３…集積部、３４…メモリ、３５…判定部、２１…アンテナ、２２…受信部、２３…演算部、２４…測定部、２５…解析部、２６…送信部、２７…アンテナ。

Claims (6)

1. データの伝送に用いる搬送周波数を分割した複数のタイムスロットのうち、割り当てられたタイムスロットを用いてデータ伝送を行う電波センサにおいて、
   所定の周波数帯の電波を受信する受信部と、
   この電波センサ自身に割り当てられるタイムスロットによる報告期間までのスペクトル演算用の集積期間とこの電波センサよりも前にタイムスロットが割り当てられる他の電波センサの前記報告期間とを利用して前記電波のスペクトルを演算する演算部と、
   前記演算部により演算されたスペクトルの演算結果を、割り当てられたタイムスロットに載せて前記データ集積装置へ報告する送信部と
   を具備することを特徴とする電波センサ。
2. 前記演算部は、
   電波の検知を開始後、自身に割り当てられたタイムスロットの時間に達するまでの無線活動休止期間に前記スペクトルを演算することを特徴とする請求項１記載の電波センサ。
3. 前記演算部は、
   前記タイムスロットにデータを載せて報告した後に生じる無線活動休止期間に次のフレームに載せるデータの演算を行うことを特徴とする請求項１記載の電波センサ。
4. データ集積装置へデータを伝送するのに用いる搬送周波数を分割した複数のタイムスロットのうち、自身に割り当てられたタイムスロットを用いて電波センサがデータ伝送を行うデータ伝送方法において、
   所定の周波数帯の電波を前記電波センサが受信するステップと、
   この電波センサ自身に割り当てられるタイムスロットによる報告期間までのスペクトル演算用の集積期間とこの電波センサよりも前にタイムスロットが割り当てられる他の電波センサの前記報告期間とを前記電波センサが利用して前記電波のスペクトルを演算するステップと、
   前記電波センサが演算した結果のデータを、割り当てられたタイムスロットに載せて前記データ集積装置へ報告するステップと
   を有することを特徴とするデータ伝送方法。
5. 前記電波センサは、
   前記電波の検知を開始後、自身に割り当てられたタイムスロットの時間に達するまでの無線活動休止期間に前記スペクトルを演算することを特徴とする請求項４記載のデータ伝送方法。
6. 前記電波センサは、
   前記タイムスロットにデータを載せて報告した後に生じる無線活動休止期間に次のフレームに載せるデータの演算を行うことを特徴とする請求項４記載のデータ伝送方法。

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