JP5424006B2 - ワイヤレス通信システムにおける確率ベースのリソース割り当てのためのシステムおよび方法 - Google Patents

ワイヤレス通信システムにおける確率ベースのリソース割り当てのためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、ワイヤレス通信に関し、より詳細には、ワイヤレス通信システムにおける確率ベースのリソース割り当てのためのシステムおよび方法に関する。
本出願は、「System and Method for Probability-based Resource Allocation in a Wireless Communications System」と題する、2009年3月25日に出願された米国特許仮出願第61/163,384号、および「System and Method for Probability-based Resource Allocation in a Wireless Communications System」と題する、2010年3月22日に出願された米国特許出願第12729101号の利益を主張するものであり、ここにその両方を参照により本明細書に組み込む。
コグニティブ無線(CR)は、通信システムが、システムの内部状態だけでなく、その環境をも認識し、その情報およびあらかじめ定義された目的に基づいて、その無線動作挙動についての決定を行うことできる無線のタイプとみなされている。CRシステムは、一般に、認可されたユーザ(LU)とも呼ばれる複数のプライマリユーザ(PU)、および複数のセカンダリユーザから構成される。PUの例としては、テレビ局、またはテレビ周波数帯のワイヤレスマイクロフォンを含むことができる。セカンダリユーザは、認可されていないCRユーザであり、PUのスペクトル利用を検知することができる。
CRシステムでは、PUとの干渉なしにCR送信機がその信号を送信するとき、通信を確立することができ、その間に、CR受信機がPUからの一定の干渉下でそのような信号を復号することができ、言い換えれば、CRユーザが合法的に送信し、確実に受信することができるときに、通信の機会が発生する。CRユーザは、PUに対して干渉を引き起こさないときに、認可されたスペクトル帯域を利用することができる。CRユーザが、プライマリユーザに対して干渉を引き起こすことなく送信することができる時間は、送信機会、またはスペクトル機会を呼ばれる。明らかに、スペクトル機会を検出するためのスペクトルを検知する能力は、CR性能にとって極めて重要であり、数多くの研究の課題となっている。
CRの基本概念は、PUユーザに対して干渉を引き起こさない限り、認可されていないCRユーザに、認可されたスペクトル帯域(認可された周波数帯域とも呼ばれる)の使用を許可することである。したがって、CRユーザは、プライマリユーザによって使用されていないスペクトル帯域を識別することが可能であり、それを使用しなければならない。実際には、CRユーザに利用可能なスペクトル帯域は、時間および場所によって変化することがある。CRユーザが複数のCR受信機に対して送信するための情報を有するとき、性能要件および目的を維持しながら、情報がCR受信機に送信されうるように、送信機会に対応するリソースがさまざまなCR受信機に割り当てられる必要があることがある。
ワイヤレス通信システムにおける確率ベースのリソース割り当てのためのシステムおよび方法の実施形態によって、これらの技術的効果は概ね達成される。
実施形態に従って、集中型リソース割り当てのための方法が提供される。方法は、一組のコグニティブ無線(CR)ユーザペアとスペクトル検知情報を協調させるステップと、一組のCRユーザペアにおける各CRユーザペアに対する確率ベースの情報を計算するステップであって、スペクトル検知情報に基づいて計算するステップと、割り当てに利用可能な各チャネルに対する調整値を計算するステップと、一組の割り当てに利用可能なチャネルにおける割り当てられていないチャネルにCRユーザペアを割り当てるステップであって、確率ベースの情報に基づいて割り当てるステップとを含む。方法はまた、調整値を更新するステップと、調整値が収束していない場合に、CRユーザペアを割り当てるステップ、および調整値を更新するステップを繰り返すステップと、チャネル割り当てに対するCRユーザペアに関する情報を含むメッセージを、一組のCRユーザペアに送信するステップとを含む。
別の実施形態に従って、コグニティブ無線(CR)ユーザにおけるリソース割り当てのための方法が提供される。方法は、一組のCRユーザペアとスペクトル検知情報を協調させるステップと、スペクトル検知情報に基づいて確率ベースの情報を計算するステップと、割り当てに利用可能な各チャネルに対する調整値を計算するステップと、確率ベースの情報に基づいて各CRユーザペアについての有用値および電力割り当てを計算するステップとを含む。方法はまた、一組のCRユーザペアにおける他のCRユーザペアと有用値を共有するステップと、チャネルIごとに(ここで、Iは、1から割り当てに利用可能なチャネルの数までの範囲である)、CRユーザに対するチャネルIに関連付けられた有用値が最大有用値である場合に、チャネルIに対する送信電力を第1の値に設定し、調整値を更新するステップと、CRユーザに対するチャネルIに関連付けられた有用値が最大有用値でない場合に、チャネルIに対する送信電力を第2の値に設定するステップとを含む。方法は、調整値を更新するステップと、調整値が収束していない場合に、有用値および電力割り当てを計算するステップ、チャネルIごとに、他のCRユーザペアと有用値を共有するステップ、ならびに調整値を更新するステップを繰り返すステップと、CRユーザに割り当てられたチャネル上で送信するステップとをさらに含む。
別の実施形態に従って、通信デバイスが提供される。通信デバイスは、アンテナに連結された受信機と、アンテナに連結された送信機と、受信機および送信機に連結されたプロセッサとを含む。受信機は、アンテナによって検出された信号を受信し、送信機は、アンテナを使用して信号を送信し、プロセッサは、信号が送受信されるスペクトル帯域の状態を検知し、近隣の通信デバイスから受信されたスペクトル帯域の状態を結合し、スペクトル帯域の状態に基づいて条件付き確率を計算し、割り当てに利用可能な各チャネルに対する乗数を計算して更新し、計算された電力割り当ておよび有用性に基づいて、通信デバイスペアを選択し、選択された通信デバイスペアにリソースを割り当てる。
実施形態の効果は、協同的スペクトル検知を利用する確率ベースのリソース割り当てが、サービス品質要件などの性能要件を考慮しながら、CRユーザへのリソースの割り当て、およびPUの保護を可能にすることであると考えられる。
実施形態のさらなる効果は、協同的スペクトル検知を利用する確率ベースのリソース割り当てが、考慮されるべき割り当てオーバーヘッドを見越しながら、集中型技法または分散型技法を使用して実装されうることである。
以上は、以下に続く実施形態の詳細な説明をよりよく理解することができるように、本発明の特徴および技術的な効果を、むしろ大まかに概説したものである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する実施形態の追加的な特徴および効果は、以下で説明される。開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実施するための他の構造およびプロセスを修正する、または設計するための基礎として容易に利用されてよいことが、当業者によって認識されるべきである。そのような均等な構成は、添付の特許請求の範囲において記されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱しないことが、当業者によってやはり理解されるべきである。
次に、実施形態およびその効果のより完全な理解のために、添付の図面を併用して、以下の説明への参照がなされる。
CRシステムの図である。 CRシステムの一部の図である。 CRユーザの図である。 図3aに示されたプロセッサおよびメモリの詳細図である。 リソース割り当てにおける集中型制御装置動作の流れ図である。 CRユーザ動作の分散型リソース割り当ての流れ図である。 異なる平均信号対ノイズ比(SNR)に対する重み付き和データレートのプロットである。 いくつかのリソース割り当て技法の異なる最大干渉電力に対する合計データレートのプロットである。
実施形態の作成および使用を以下で詳細に論じる。しかしながら、本発明は、特定のコンテキストの幅広い範囲において具体化されてよい、多くの適用可能な発明的概念を提供することを認識すべきである。論じられる特定の実施形態は、本発明を作成し、使用するための特定のやり方を単に説明するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
実施形態は、特定のコンテキストにおいて、すなわち、認可されたシステムにごく近接して動作するコグニティブ無線(CR)システムにおいて説明される。しかしながら、本発明は、CRシステムが指向性アンテナおよび/またはビーム形成によるアンテナアレイを使用する、他のシステムにもまた適用することができる。
図1は、CRシステム100を示す。CRシステム100は、PU105から107までなどの複数のプライマリユーザ(PU)と、CRユーザ110から114までなどの複数のCRユーザとを含む。PUは、認可されたテレビ局、または認可されたテレビ周波数帯で動作するワイヤレスマイクロフォンなどの、認可されたユーザであってよい。CRユーザは、認可されていないユーザであり、PUのスペクトル利用を検知することができる。
静的スペクトル割り当ての従来のアプローチは、無線スペクトルの著しい不完全活用を招くことがある。ワイヤレスデバイスおよびワイヤレスアプリケーションの数が増加するにつれ、CR技術は、日和見的スペクトルアクセス(OSA)を有効にするために導入されてきている。CRユーザは、PUに対して容認できない干渉を引き起こさない限り、認可されたスペクトルを利用することを許可される。そのような柔軟なやり方は、スペクトル利用を大幅に高め、標準規格および取締機関の両方によって重要視されてきている。
PUの存在、ならびに2つの階級のユーザ(すなわちPUおよびCRユーザ)間での考えうる相互干渉のために、CRネットワークにおけるリソース割り当ての問題は、もはや従来のネットワークの問題と同じではない。認可されたスペクトルの利用をモニターするスペクトル検知は、したがって、非干渉ベースでの動的なリソース割り当てを可能にするために必要とされる。フェージングおよびシャドーイングは、スペクトル検知の性能を激しく低下させることがあるが、その影響を、マルチユーザCRネットワークにおける協同的スペクトル検知による空間的多様性を活かすことによって、緩和することができる。認可されたスペクトルの利用可能性を判定した後に、CRユーザは、一定の性能要件を達成するために、送信電力およびチャネルなどの送信パラメータを調整する。
CRネットワークにおけるリソース割り当ては、通常、チャネルおよび電力割り当てを含み、認可されたスペクトルがいくつかの直交周波数チャネルに分割される、マルチチャネル環境に基づいている。1つのアプローチは、各チャネルを1つのCRユーザに独占的に割り当てることであり、一方2つ目のアプローチは、複数のCRユーザ間で各チャネルを共有することを許可する。
本明細書では、各チャネルが1つのCRユーザに割り当てられる第1のアプローチに焦点を当てる。そのような状況では、チャネルおよび電力割り当ての問題を、NP困難組合せ最適化問題として理解することができる。
図2は、CRシステム200の一部を示す。CRシステム200は、N個の直交チャネルの認可された帯域において通信の機会を利用するK個のアクティブなCRユーザペアを含み、各直交チャネルは、Bの同じ帯域幅を有する。各CRユーザペアUk、1≦k≦Kは、1つの送信機Tkおよび1つの受信機Rkからなる。OSAは、異なる認可されたチャネルをCRユーザペアに割り当て、それに応じて送信電力を割り当てることによって実現され、ここでは、以下の側面を考慮に入れる必要がある。
- CRネットワークの重み付き和レートが最大化されるべきである。CRユーザペアに異なる優先度を与えられることが可能であるために、重みはCRユーザペアのレート上に置かれ、たとえば、キュー重み付き和レートが、安定性およびスループット最適性のために使用される。
- 各チャネルは1つのCRユーザペアにしか割り当てることができず、それによりCRリンク間での干渉を防ぐ。
- 各CR送信機は、最大送信電力を有する。
- 各認可された受信機は、その通信を十分に保護するための最大干渉電力を有する。
- 各CRユーザペアは、そのサービス品質(QoS)を保証するための最小送信レートを有する。
任意の認可されたチャネルは、認可されたユーザによって占有されていても、されなくていなくてもよい。リソース割り当ての前に、スペクトル検知が行われなければならず、スペクトル検知は、観測信号からの認可された信号が存在するか否かを判定することを含む。スペクトル検知は、通常、以下のバイナリ仮説検定問題として、公式化することができる。
Figure 0005424006
ここで、yn(t)、sn(t)、および
Figure 0005424006
は、それぞれ、CRユーザにおけるn番目のチャネルでの受信信号、受信された認可された信号、および付加ノイズを表す。Hn,0およびHn,1は、それぞれ、n番目のチャネルにおける認可された信号の不在および存在に対応した仮説を表す。スペクトル検知の目的は、通常、観測値yn(t)から、2つの仮説、Hn,0およびHn,1のどちらかを判定することである。
協同的スペクトル検知では、CRユーザは、認可されたチャネルアクティビティのローカルな情報を取得し、専用の制御チャネルを通してローカルな情報を送出する。k番目のCRユーザからのn番目のチャネルuk,nについてのローカルな検知情報は、認可されたユーザからの信号の不在または存在についての1ビット硬判定(one bit hard decision)であっても、k番目のCRユーザの観測値の前処理された検知データであってもよい。
詳細には、CRユーザkは、所定のインターバル内の受信信号エネルギーなどのその測定値の全範囲をLk領域に分割し、どの領域にその観測値が入るかを報告する。したがって、Lkは、CRユーザkからの別個の量子化検知結果の数である。異なるCRユーザについてのLk'は、必ずしも同じではない。
Lk=2であるとき、k番目のCRユーザからの検知情報は、認可された信号の不在または存在についての1ビット硬判定に帰着し、Lkが無限になると、CRユーザkの検知情報は、その元の測定値になる。一般性を喪失することなく、uk(tk)=l (l=0,1,…,Lk-1の場合)のときのtkで観測されたCRユーザkの考えうる量子化された検知結果として、Lkを表す。異なるCRユーザから収集された検知情報に従って、結合ノードが、認可されたチャネルの利用可能性を最終的に決定する。
図3aは、CRユーザ300を示す。CRユーザ300は、信号を受信し、信号を送信するのに使用するための受信機305および送信機307を含む。構成に応じて、送信/受信(TX/RX)スイッチ309が、受信機305および送信機307が1つまたは複数のアンテナを共有することを可能にしてもよい。代替的には、受信機305および送信機307は、専用の受信アンテナおよび送信アンテナを有することができる。
CRユーザ300はまた、フィルタリング、復号化、エラー検出およびエラー訂正、増幅、デジタル化、ミキシング、その他を含む、受信信号の処理に使用されてよい受信機処理ハードウェア311を含む。CRユーザ300はまた、フィルタリング、符号化、ミキシング、増幅、その他を含む、送信されることになる信号の処理に使用されてよい送信機処理ハードウェア313を含む。データなどの、受信機処理ハードウェア311の出力は、プロセッサ315に提供されてよい。プロセッサ315は、受信機処理ハードウェア311の出力を使用して、計算を実行するのに使用されてよい。メモリ317が、データ、アプリケーション、プログラム、構成情報、その他などを記憶するのに使用されてよい。
図3bは、図3aに示されたプロセッサ315およびメモリ317の詳細図を示す。プロセッサ315は、スペクトル検知ユニット320と、協調ユニット322と、最適化ユニット324と、乗数計算ユニット326とを含む。スペクトル検知ユニット320は、特定のスペクトル帯域内で受信エネルギーを検知するのに使用されてよい。次いで、受信エネルギーから、スペクトル検知ユニット320は、PUからの送信が行われるかどうかを判定することができ、すなわち、スペクトル検知ユニット320は、特定のスペクトル帯域が占有されるかどうかを判定することができる。スペクトル検知ユニット320は、特定のスペクトル帯域の外側の信号を除去する、または削減するのを手助けするように、受信信号をフィルタリングすることによって受信エネルギーを検知し、特定のスペクトル帯域内で受信エネルギーを測定し、特定の時間の間、受信エネルギーを蓄積し、次いで蓄積された受信エネルギーに基づいて、特定のスペクトル帯域において送信が行われるかどうかを判定することができる。
協調ユニット322は、スペクトル検知ユニット320の結果を、他のCRユーザと共有するのに使用されてよい。協調ユニット322は、他のCRユーザによって受信されうる結果を、専用の制御チャネル上で送信することができる。代替的には、結果は、CRユーザによって実行されるスペクトル検知の結果の処理を担うことができる集中型制御装置に提供されてもよい。
最適化ユニット324は、CRユーザについての最適化問題を解決するのに使用されてよく、その解決策が、結果としてCRユーザへのリソースの割り当てとなってよい。最適化問題は、各CRユーザペアのレートの重み付け、および各CRユーザペアの実際のデータレートに基づくことができる。最適化ユニット324はまた、割り当て可能なリソースを割り当てるためのCRユーザペアを選択することができる。乗数計算ユニット326は、最適化ユニット324によって解決される最適化問題に置かれた制約を計算するのに使用されてよい。制約は、CRユーザペアごとの最大送信電力、CRユーザペアのCR送信機からPUの間のパスロス、最大許容干渉電力、各CRユーザペアに対する最小QoS要件、その他に基づくことができる。最適化ユニット324および乗数計算ユニット326の動作の詳細な説明は、以下に示される。
プロセッサ315はまた、確率計算ユニット328と、電力割り当てユニット330と、干渉計算ユニット332とを含む。確率計算ユニット328は、PUによる送信が存在する、または不在であるという条件付き確率を計算するのに使用されてよい。確率計算ユニット328は、CRユーザ間で共有された、スペクトル検知ユニット320の結果を利用することができる。電力割り当てユニット330は、CRユーザペアに対する送信電力レベルを計算するのに使用されてよい。電力割り当てユニット330によって計算された送信電力レベルは、PUへの干渉、パスロス、その他に基づくことができる。干渉計算ユニット332は、CRユーザペアからの送信に起因する、PUにおける干渉を計算するのに使用されてよい。干渉は、CRユーザペアの送信電力、パスロス、その他などの要因に左右されることがある。確率計算ユニット328、電力割り当てユニット330、および干渉計算ユニット332の動作の詳細な説明は、以下に示される。
プロセッサ315は、有用性計算ユニット334と、実効レート計算ユニット336と、収束ユニット338とをさらに含む。有用性計算ユニット334は、各CRユーザペアについての有用性を計算するのに使用されてよい。有用性は、電力割り当てユニット330でのCRユーザペアに対する送信電力レベルの計算において使用されてよい。実効レート計算ユニット336は、CRユーザペアのCR受信機における実効レートを計算するのに使用されてよい。収束ユニット338は、乗数計算ユニット326によって生成された乗数の収束を決定するのに使用されてよい。一般に、乗数は、反復ごとに著しく変化しない場合、または特定の反復の数に達した場合に、収束しているとみなすことができる。有用性計算ユニット334、実効レート計算ユニット336、および収束ユニット338の動作の詳細な説明は、以下に示される。
メモリ317は、CRユーザ300によって検出されたもの、および協調を通して他のCRユーザから受信されたものとしての、両方のユーザ検知情報(ユーザ検知情報記憶装置340)、計算された確率(確率情報記憶装置342)、計算された有用性情報(有用性情報記憶装置344)、計算された電力割り当て(電力割り当て記憶装置346)、および乗数(乗数情報記憶装置348)などの情報を記憶するのに使用されてよい。
通常、認可されたチャネルの利用可能性についての硬判定が、リソース割り当てにおいて使用され、それにより、協同的スペクトル検知によって利用可能であると判定されたチャネルのみが、CRユーザによって利用されることになる。協同的スペクトル検知では判定エラーがある可能性があるので、硬判定の使用は、硬判定のあいまいな情報を継承する。あいまいな情報の継承は、OSAの柔軟性を喪失し、認可されたユーザに対する容認できない干渉を生成することがある。柔軟性および性能を向上させるために、協同性スペクトル検知からの軟情報が、すべてのCRユーザに対するチャネルおよび電力割り当てを支援するのに使用される。
異なるCRユーザでは、特定のチャネル内に存在する、または不在であるはずの認可された信号についての確率が異なることがある。これは、認可されたネットワークに対するCRユーザの地理的差異のためである。送信機および受信機を含むすべてのCRユーザは、近接するCRユーザからのローカルな検知情報を結合することを許可され、それにより、結合された情報は、ローカルなスペクトル検知よりも確実となり、また遠く離れたユーザを含むすべてのユーザからの情報を結合するよりも、さらに一層正確となる。
Figure 0005424006
を、それぞれ、k番目のCR送信機およびCR受信機によって収集された、n番目のチャネルについての検知情報の組を表すものとする。ベイズ理論に従って、認可された信号が、k番目のCR送信機におけるチャネルnに存在する、およびk番目のCR受信機におけるチャネルnに不在であるという条件付き確率を、それぞれ、以下のように取得することが可能である。
Figure 0005424006
および
Figure 0005424006
ここで、P(Hn,1)およびP(Hn,0)は、認可された信号が存在する、および不在であるという安定した確率であり、
Figure 0005424006
は、認可された信号がそれぞれ、存在する、および不在であるときに、検知情報が、
Figure 0005424006
である条件付き確率である。P(Hn,1)およびP(Hn,0)を、認可されたアクティビティ上での連続するスペクトル検知を通して取得することができ、
Figure 0005424006
を取得することができる。
OSAの性能を高めるために、リソース割り当てにおいて、
Figure 0005424006
の確率情報が使用されてよい。
Figure 0005424006
の合計は、一般には1(1)と等しくならない。というのは、CR送信機およびCR受信機において、異なる検知情報の組が使用されているからである。
Figure 0005424006
が、CR送信機から、認可された受信機において生成された干渉を算出するために使用されることになり、したがって、これはCR送信機において認可された信号が存在するという確率であり、
Figure 0005424006
が、CR受信機における実効レートを算出するために使用されることになり、したがって、これはCR受信機において認可された信号が不在であるという確率である。
n番目のチャネルのk番目のユーザペアの期待されるデータレートrk,nが、以下のように、対応する送信電力pk,nに関連付けられる。
Figure 0005424006
ここで、gk,nは、n番目のチャネルのk番目のユーザペアに対する、送信機から受信機までのチャネル利得である。ノイズは、電力スペクトル密度(PSD)N0によるガウスである。
ρk,nを、 n番目のチャネルがk番目のユーザペアに割り当てられるときに1に等しく、そうでない場合は0に等しい割り当てインジケータとし、wkを、k番目のユーザペアのレートに対する重み付けとする。仮定は、以下で詳細に論じる複数のペアのケースと共に、ただ1つの認可されたユーザペアが存在することを含む。次いで、先に提示した議論に従って、CRユーザ間のリソース割り当てを、最適化問題として公式化することができる。
Figure 0005424006
ここで、ターゲット関数および制約は、先の議論におけるすべての側面を含み、すなわち、独占的なチャネル使用により重み付き和を最大化し、最大電力および干渉限界、ならびに最小レート要件を満たす。
Figure 0005424006
は、すべてのチャネル上でのk番目のユーザペアに対する最大送信電力であり、g'k,nは、n番目のチャネルの、k番目のCR送信機から認可された受信機までのパスロスであり、
Figure 0005424006
は、n番目のチャネルの認可されたシステムに対する最大許容干渉電力であり、
Figure 0005424006
は、k番目のCRユーザペアの最小QoS要件である。認可された信号がCR受信機Rk
に存在する場合、CRユーザペアkの送信は失敗することになると仮定する。
先に論じたように、リソース割り当ては、CRユーザによって提供されるスペクトル検知情報を活用する集中型制御装置において行われてよい。代替的には、リソース割り当ては、スペクトル検知情報および計算された結果を共有する個々のCRユーザにおいて行われてよい。集中型制御装置においてリソース割り当てを計算することにより、CRユーザは先に論じた最適化問題を解決する必要がないので、個々のCRユーザにおける計算リソース要件を軽減することができ、他方で、リソース割り当ての分散型計算は、集中型制御装置の必要性を緩和することができ、コスト軽減に役立つことができる。
リソース割り当てを実用的にするために、本明細書では、二重分解アプローチを使用して、以下のように表すことができる式(2)の二重問題を形成する。
Figure 0005424006
ここで、λ1,n、λ2,k、λ3,n、およびλ4,kは、採用されたラグランジュの未定乗数である。
式(3)に示された問題は、さらに2つの問題、すなわち、下層問題、および上層におけるマスター問題に分解されてよい。下層には以下のように表すことができる、Kサブ問題が存在する。
Figure 0005424006
Gkを、下層問題における目的関数の最大値とすると、上層におけるマスター問題は、以下のように表すことができる。
Figure 0005424006
下層問題において、ρk,n=1の場合、電力割り当てを、注水定理によって決定することができ、
Figure 0005424006
ここで、λ2,k、λ3,n、およびλ4,kは、k番目におけるCRユーザペアのチャネルnに対するラグランジュの未定乗数であり、wkは、k番目のCRユーザペアのデータレートに対する重み付け係数であり、N0は、ノイズフロアレベルであり、Bは、チャネルnの帯域幅であり、
Figure 0005424006
は、k番目のCR受信機におけるチャネルnに、認可された信号が不在であるという確率であり、
Figure 0005424006
は、k番目のCR送信機におけるチャネルnに、認可された信号が存在するという確率であり、gk,nは、k番目のCRユーザペアにおけるチャネルn上での送信機から受信機までのチャネル利得である。有用性を定義する。
Figure 0005424006
次いで、任意のnについて、ρk,nが、最も大きいuk,nについて1になるように、そうでない場合は0になるように選択される。λ1,nはgk,nにおいて省略されて、最適化において必要とされないことに注目されたい。したがって、それは任意に設定されることができ、更新される必要はない。他の乗数を、劣勾配法を使用して、以下のように見出すことができる。
Figure 0005424006
ここで、
Figure 0005424006
は、小さな正のステップサイズである。適切なステップサイズにより、反復が収束することを示す。
見出された乗数により、マスター問題(式(5))を解決し、それにより、リソース割り当てを行うことができる。
図4は、リソース割り当てにおける集中型制御装置動作400の流れ図を示す。集中型制御装置動作400は、通信システムにおけるCRユーザに対するリソース割り当ての計算を担う集中型制御装置において行われる動作を示すことができる。集中型制御装置動作400は、ワイヤ接続またはワイヤレス接続によってCRユーザに接続された専用の制御装置であってよい、集中型制御装置において行われてよい。代替的に、集中型制御装置は、CRユーザに対するリソース割り当てを実行するように選択された、場合によってはそれ自身を含む、CRユーザであってよい。集中型制御装置動作400は、集中型制御装置が通常の動作モードにある間、かつCRユーザが送信するための送信物を有する間に行われてよい。
集中型制御装置動作400は、集中型制御装置およびCRユーザが協調してスペクトル検知情報を共有することから開始されてよい(ブロック405)。実施形態によれば、CRユーザは、そのスペクトル検知情報の結果を集中型制御装置に送信することができる。集中型制御装置はまたCRユーザであってもよいので、集中型制御装置が、それ自身のスペクトル検知動作の結果を有してもよい。集中型制御装置およびCRユーザの協調は、図3bに示されるような協調ユニット322によって実行されてよい。
共有されたスペクトル検知情報に基づいて、集中型制御装置は、認可された信号(すなわち保護された信号)が、k番目のCR送信機におけるチャネルnに存在するという条件付き確率
Figure 0005424006
および、k番目のCR受信機におけるチャネルnに不在であるという条件付き確率
Figure 0005424006
などの、確率ベースの情報(たとえば、条件付き確率)を計算することができる(ブロック410)。条件付き確率は、以下のように表すことができる。
Figure 0005424006
および
Figure 0005424006
ここで、
Figure 0005424006
は、それぞれ、k番目のCR送信機およびCR受信機によって収集された、n番目のチャネルについての検知情報の組を表し、Hn,0およびHn,1は、それぞれ、n番目のチャネルにおける認可された信号の不在および存在に対応した仮説を表す。条件付き確率の計算は、プロセッサ315の確率計算ユニット328によって実行されてよい。
集中型制御装置はまた、各チャネルに対するラグランジュの未定乗数の計算を開始することができる(ブロック415)。実施形態によれば、集中型制御装置は、各チャネルn、1≦n≦Nのための、ラグランジュの未定乗数
Figure 0005424006
の計算を開始することができ、ここで、
Figure 0005424006
のみが、すべてのユーザペアについて同じであるはずである。乗数計算ユニット326が、ラグランジュの未定乗数を計算するのに使用されてよい。
集中型制御装置はまた、各CRユーザペアについて、電力割り当て(pk,n)、および有用性(uk,n)を計算することができる(ブロック420)。実施形態によれば、式(6)が電力割り当てを計算するのに使用されてよく、式(7)が有用性を計算するのに使用されてよい。電力割り当て計算ユニット330、および有用性計算ユニット334が、それぞれ、電力割り当て、および有用性を計算するのに使用されてよい。
集中型制御装置は次いで、最も高い有用性を有するCRユーザペアを見出し、そのCRユーザペアに対する送信電力を1に設定することができる(ブロック425)。さらに、すべての他のCRユーザペアは、0に設定された、選択されたチャネルnに対するその送信電力を有することになる。実施形態によれば、複数のCRユーザペアが同じ、または実質的に同じ有用値を有するとき、集中型制御装置は、最も高い有用性を有するCRユーザペアとして、複数のCRユーザペアから1つをランダムに選択し、選択されたCRユーザペアに対する送信電力を1に設定することができる。
集中型制御装置は、ラグランジュの未定乗数について解くことができる(ブロック430)。実施形態によれば、ラグランジュの未定乗数を、式(8)〜(10)を使用して解くことができる。λ1,nはgk,nでは省略され、最適化において必要とはされない。したがって、λ1,nは任意に設定されてよく、更新される必要はない。集中型制御装置は次いで、ラグランジュの未定乗数が収束しているかどうかを判定するための検査をすることができる(ブロック435)。実施形態によれば、ラグランジュの未定乗数は、正常なラグランジュの未定乗数値が閾値未満分変化した場合、または特定の反復の数が満たされた場合に、収束しているとみなすことができる。ラグランジュの未定乗数を解くことは、プロセッサ315の乗数計算ユニット326によって実行されてよい。
ラグランジュの未定乗数が収束していない場合、集中型制御装置は、ブロック420に戻って、リソース割り当て最適化のさらなる反復を実行することができる。ラグランジュの未定乗数が収束している場合、リソース割り当て最適化が完了していてよく、1に等しい割り当てインジケータ(ρk,n)を有するCRユーザペアが、割り当てられたリソースを有するCRユーザペアである(ブロック440)。集中型制御装置は、リソース割り当てと共にCRユーザにメッセージを送信することができ(ブロック445)、次いで集中型制御装置動作400が終了してよい。
式(2)に示される最適化問題は、性質上非凸であることがあるが、双対ギャップがN(反復の数)の十分に大きい値についてゼロに収束することができる。したがって、通信システムにおけるグローバルな最適リソース割り当てを達成することができる。
図5は、CRユーザ動作500の分散型リソース割り当ての流れ図を示す。CRユーザ動作500は、いくつかのCRユーザを有する通信システムの一部であるCRユーザにおいて行われる動作を示すことができる。CRユーザ動作500は、CRユーザが通常の動作モードにあり、送信するための送信物を有する間に、通信システムにおけるCRユーザのそれぞれにおいて行われてよい。
CRユーザ動作500は、CRユーザが、そのスペクトル検知動作の結果を他のCRユーザと協調させることから開始されてよい(ブロック505)。CRユーザは、そのスペクトル検知動作の結果を、他のCRユーザのスペクトル検知動作の結果を受信している間に、他のCRユーザと共有することができる。スペクトル検知動作結果を協調させることは、周期的なインターバルにおいて行われてよい。
共有されたスペクトル検知情報に基づいて、CRユーザは、認可された信号(すなわち保護された信号)が、k番目のCR送信機におけるチャネルnに存在するという条件付き確率
Figure 0005424006
および、k番目のCR受信機におけるチャネルnに不在であるという条件付き確率
Figure 0005424006
などの、確率ベースの情報(たとえば、条件付き確率)を計算することができる(ブロック510)。条件付き確率は、以下のように表すことができる。
Figure 0005424006
および
Figure 0005424006
ここで、
Figure 0005424006
は、それぞれ、k番目のCR送信機およびCR受信機によって収集された、n番目のチャネルについての検知情報の組を表し、Hn,0およびHn,1は、それぞれ、n番目のチャネルにおける認可された信号の不在および存在に対応した仮説を表す。
CRユーザは、各チャネルn、1≦n≦Nのための、ラグランジュの未定乗数
Figure 0005424006
の計算を開始することができる(ブロック515)。ラグランジュの未定乗数
Figure 0005424006
のみが、すべてのCRユーザペアについて同じであってよい。CRユーザはまた、各チャネルn、1≦n≦Nのための電力割り当て(pk,n)、および有用性(uk,n)を算出することができる(ブロック520)。実施形態によれば、式(6)が電力割り当てを計算するのに使用されてよく、式(7)が有用性を計算するのに使用されてよい。CRユーザは、他のCRユーザにメッセージを送信することによって、他のCRユーザと有用性を共有することができる(ブロック525)。
CRユーザは、各チャネルについてそれ自身で計算された有用値、および他のCRユーザから受信した有用性に基づいて、それがチャネルI(ここで、Iは1からnまでの値の範囲のインデックス変数である)について、最も大きな有用値を有するかどうかを判定するための検査をすることができる(ブロック530)。CRユーザが、チャネルIについて最も大きな有用値を有する場合、CRユーザは、チャネルIに対するその送信電力を1に設定し、ラグランジュの未定乗数を更新し、チャネルIについて最も大きな有用値を有するのがそのCRユーザであること、および他のCRユーザはチャネルIに対するその送信電力を0に設定すべきであることを、他のCRユーザと共有することができる(ブロック535)。チャネルIについてのCRユーザの有用性が最も大きくない場合、CRユーザは、チャネルIに対する送信電力を0に設定することができる(ブロック540)。
CRユーザは次いで、送信電力がすべてのn個のチャネルのために設定されているかどうかを判定するための検査をすることができる(ブロック545)。すべてのn個のチャネルに対する送信電力が設定されていない場合、CRユーザは、インデックス変数Iを更新し(ブロック550)、ブロック530に戻って、チャネルIに対する送信電力を設定することができる。
すべてのn個のチャネルに対する送信電力が設定されると(ブロック545)、CRユーザは、ラグランジュの未定乗数を更新することができる(ブロック555)。実施形態によれば、CRユーザは、各チャネルn、1≦n≦Nのための、ラグランジュの未定乗数
Figure 0005424006
を、式(8)および(10)に従って更新する。
CRユーザは次いで、ラグランジュの未定乗数が収束しているかどうかを判定するための検査をすることができる(ブロック560)。実施形態によれば、ラグランジュの未定乗数は、正常なラグランジュの未定乗数値が閾値未満分変化した場合、または特定の反復の数が満たされた場合に、収束しているとみなすことができる。ラグランジュの未定乗数が収束していない場合、CRユーザは、ブロック520に戻って、リソース割り当て最適化のさらなる反復を実行することができる。ラグランジュの未定乗数が収束している場合、リソース割り当て最適化が完了していてよく、1に等しい割り当てインジケータ(ρk,n)を有するCRユーザペアが、割り当てられたリソースを有するCRユーザペアである(ブロック565)。CRユーザは、割り当てられたリソースでCRユーザへの送信をすることができ(ブロック570)、次いでCRユーザ動作500が終了してよい。
CRユーザは、リソース割り当て最適化の間、有用性(uk,n)、およびラグランジュの未定乗数
Figure 0005424006
に関与する干渉情報を除いて、ローカルな情報のほとんどを交換する必要はないが、有用性(uk,n)、およびラグランジュの未定乗数に関与する情報のどちらも必要である。というのは、前者は、特定のチャネル内での通信のためのCRユーザペアを選択するときに必要とされ、後者は、CR通信からの総干渉がPUの許容レベル内にあることを確認するのに必要とされるからである。
PUからCRユーザへのチャネル情報は、連続するスペクトル検知動作を通して取得されてよい。CRユーザは、スペクトル検知動作の間に認可されたチャネル内で受信信号強度を得るため、CRユーザは、送信された認可された信号強度の一定の予備知識を有している限り、チャネルを推定することができてよい。
式(3)において、干渉の限度として1つのみの不等式が存在するように、1つのPUペアが存在するという仮定がなされる。より多くのPUがある場合、さらなる不等式が最適化問題に追加されてよく、上で説明した技法によって、やはり解決策を取得することができる。
PUのアクティビティが頻繁に見え隠れするとき、それは、CRユーザ通信の間に、認可されたチャネル状態が変化しうる可能性であってよい。この場合、CRユーザ通信の全フレーム長がいくつかの部分(たとえば、タイムスロット)に分割され、部分ごとに異なる
Figure 0005424006
を、得られた認可されたアクティビティ統計値に従って、関連付けることができる。次いで、上で説明したようなリソース割り当て技法が、部分ごとに適用されてよい。
上で論じたリソース割り当て技法の評価は、4つのCRユーザペア、およびそれぞれ100KHzの帯域幅を有する16のチャネルによって実行された。異なるユーザ間での重み付けは、[1 1 2 2]であると仮定され、最小レート要件は、それぞれ、[100 200 200 400]Kbpsである。CR送信機とCR受信機との間、および認可された送信機と認可された受信機との間のチャネルは、独立し、1に等しい平均値によって同一にレイリー分散されることになると仮定される。各ユーザペアについての送信電力制約、および各チャネルについての干渉制約は、どちらも同じである。先に論じたリソース割り当て技法が、確率に基づいていない従来のリソース割り当て技法、すなわち、硬協同的スペクトル検知判定のみが使用される技法と比較される。
図6は、異なる平均信号対ノイズ比(SNR)に対する重み付き和データレートのプロットを示す。干渉制約は、0.001Wに設定され、送信電力制約は、0.1Wに設定される。すべての平均SNRについて、上で論じた確率ベースのリソース割り当て技法は、重み付き和データレートに関してよりよい性能を達成する。これは、従来のリソース割り当て技法が、CR通信の失敗をもたらすことになる判定エラーを継承する、協同的スペクトル検知の硬判定を使用するためである。
図7は、両方のリソース割り当て技法についての異なる最大干渉電力に対する合計データレートのプロットを示す。すべての異なる干渉電力レベルについて、上で論じた提案された確率ベースのリソース割り当て技法が、やはりよりよいスループット性能を達成する。
CRシステムにおけるリソース割り当てを支援するための、協同的スペクトル検知からの軟情報を使用が提案される。マルチユーザのマルチチャネル環境が考慮され、認可された帯域にアクセスするCRユーザの重み付き和レートを最大化するための、最適リソース割り当て技法の検討が提示される。従来のリソース割り当て技法とは異なり、上で論じたリソース割り当て技法は、効率的なスペクトル利用のための確率ベースのアプローチを使用し、それはまた、容認できない干渉からPUを保護することを確実にし、異なるCRユーザに対する多様なQoS制約をサポートする。さらに、上で論じたリソース割り当て技法の分散型実装が提供される。
実施形態およびその効果を詳細に説明してきたが、さまざまな変更形態、代替形態、および改変形態が、添付の特許明細の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書においてなされてよいことを理解すべきである。さらに、本出願の範囲は、本明細書で説明したプロセス、マシン、製造、組成物、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定することを意図していない。当業者であれば本発明の開示から容易に認識するように、現存する、あるいは今後開発される、本明細書で説明した対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行する、または実質的に同じ結果を達成する、プロセス、マシン、製造、組成物、手段、方法、またはステップも、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲に、そのようなプロセス、マシン、製造、組成物、手段、方法、またはステップを含むことを意図している。
100 CRシステム
105 プライマリユーザ(PU)
106 プライマリユーザ(PU)
107 プライマリユーザ(PU)
110 CRユーザ
111 CRユーザ
112 CRユーザ
113 CRユーザ
114 CRユーザ
200 CRシステム
300 CRユーザ
305 受信機
307 送信機
309 送信/受信スイッチ
311 受信機処理ハードウェア
313 送信機処理ハードウェア
315 プロセッサ
317 メモリ
320 スペクトル検知ユニット
322 協調ユニット
324 最適化ユニット
326 乗数計算ユニット
328 確率計算ユニット
330 電力割り当てユニット/電力割り当て計算ユニット
332 干渉計算ユニット
334 有用性計算ユニット
336 実効レート計算ユニット
338 収束ユニット
340 ユーザ検知情報記憶装置
342 確率情報記憶装置
344 有用性情報記憶装置
346 電力割り当て記憶装置
348 乗数情報記憶装置

Claims (16)

  1. 集中型リソース割り当てのための方法であって、
    一組のコグニティブ無線(CR)ユーザペアとスペクトル検知情報を協調させるステップと、
    前記一組のCRユーザペアにおける各CRユーザペアに対する確率ベースの情報を計算するステップであって、前記スペクトル検知情報に基づいて計算するステップと、
    割り当てに利用可能な各チャネルに対する調整値を計算するステップと、
    割り当てに利用可能な一組のチャネルにおける割り当てられていないチャネルにCRユーザペアを割り当てるステップであって、前記確率ベースの情報に基づいて割り当てるステップと、
    前記調整値を更新するステップと、
    前記調整値が収束していない場合に、CRユーザペアを割り当てる前記ステップ、および前記調整値を更新する前記ステップを繰り返すステップと、
    チャネル割り当てに対するCRユーザペアに関する情報を含むメッセージを、前記一組のＣＲユーザペアに送信するステップと
    を含み、前記調整値はラグランジュの未定乗数である、ことを特徴とする方法。
  2. スペクトル検知情報を協調させるステップが、集中型制御装置においてスペクトル検知情報を受信するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記集中型制御装置が、前記一組のCRユーザペアにおけるCRユーザである、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 確率ベースの情報を計算するステップが、前記スペクトル検知情報に基づいて条件付き確率を計算するステップを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 条件付き確率を計算するステップが、
    k番目のCR送信機におけるチャネルnに、認可された信号が存在するという第1の条件付き確率を計算するステップであって、ここで、nは整数値であって、1から割り当てに利用可能なチャネルの数までの間の範囲であり、kは整数値であって、前記一組のCRユーザペアにおけるCRユーザペアを表す、計算するステップと、
    k番目のCR受信機における前記チャネルnに、前記認可された信号が不在であるという第２の条件付き確率を計算するステップと
    を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 前記第1の条件付き確率および前記第2の条件付き確率が、各CRユーザペアにおける各可能なチャネルについて計算される、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. CRユーザペアを割り当てるステップが、
    各CRユーザペアについての有用値および電力割り当てを計算するステップであって、前記有用値および前記電力割り当てが前記確率ベースの情報に基づく、計算するステップと、
    前記割り当てられていないチャネルについて最も大きな有用値を有するCRユーザペアを選択するステップと、
    選択されたCRユーザペアを前記割り当てられていないチャネルに割り当てるステップとを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. コグニティブ無線(CR)ユーザにおけるリソース割り当てのための方法であって、
    一組のCRユーザペアとスペクトル検知情報を協調させるステップと、
    前記スペクトル検知情報に基づいて確率ベースの情報を計算するステップと、
    割り当てに利用可能な各チャネルに対する調整値を計算するステップと、
    前記確率ベースの情報に基づいて各CRユーザペアについての有用値および電力割り当てを計算するステップと、
    前記一組のCRユーザペアにおける他のCRユーザペアと前記有用値を共有するステップと、
    Iが1から割り当てに利用可能なチャネルの数までの範囲である、チャネルIごとに、
    前記CRユーザに対するチャネルIに関連付けられた有用値が最大有用値である場合に、前記チャネルIに対する送信電力を第1の値に設定し、調整値を更新するステップ、および
    前記CRユーザに対するチャネルIに関連付けられた前記有用値が最大有用値でない場合に、前記チャネルIに対する前記送信電力を第2の値に設定するステップと、
    前記調整値を更新するステップと、
    前記調整値が収束していない場合に、有用値および電力割り当てを計算する前記ステップ、前記チャネルIごとに、他のCRユーザペアと前記有用値を共有する前記ステップ、ならびに前記調整値を更新する前記ステップを繰り返すステップと、
    前記CRユーザに割り当てられたチャネル上で送信するステップと
    を含み、前記調整値はラグランジュの未定乗数である、ことを特徴とする方法。
  9. 1つまたは複数の調整値が閾値を超えた分変化する場合に、または前記調整値が更新された回数が特定の数未満の場合に、前記調整値は収束していない、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記調整値を更新するステップが、
    各CRユーザペアに対して、ラグランジュの未定乗数
    Figure 0005424006
     を更新するステップと、
    各チャネルに対して、ラグランジュの未定乗数
    Figure 0005424006
     を更新するステップとを含み、
    ここで、kは整数値であって、1から前記一組のCRユーザペアにおけるCRユーザペアの数までの範囲である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 前記第1の値が1であり、前記第2の値が0である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  12. 前記有用値を共有するステップが、
    前記有用値を、前記一組のCRユーザペアにおける他のCRユーザペアに送信するステップと、
    前記一組のCRユーザペアにおけるCRユーザペアのそれぞれから、共有された有用値を受信するステップとを含む、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  13. アンテナに連結され、前記アンテナにより検出された信号を受信するように構成された受信機と、
    前記アンテナに連結され、前記アンテナを使用して信号を送信するように構成された送信機と、
    前記受信機および前記送信機に連結されたプロセッサであって、請求項１に記載された方法に従って、ワイヤレス通信システムにおいてリソースを割り当てるように構成された、プロセッサと
    を含むことを特徴とする通信デバイス。
  14. 前記プロセッサが、
    前記スペクトル帯域の状態を検知するように構成されたスペクトル検知ユニットと、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、前記スペクトル帯域の前記状態と、前記近隣の通信デバイスから受信されたスペクトル帯域の状態とを結合するように構成された結合ユニットと
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、前記スペクトル帯域の状態に基づいて条件付き確率を計算するように構成された確率計算ユニットと、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、割り当てに利用可能な各チャネルに対する乗数を計算して、更新するように構成された乗数計算ユニットと、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、計算された電力割り当ておよび有用性に基づいて通信デバイスペアを選択し、選択された通信デバイスペアにリソースを割り当てるように構成された最適化ユニットと
    を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の通信デバイス。
  15. 前記プロセッサが、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、各通信デバイスペアに対する各チャネルについての有用値を計算するように構成された有用性計算ユニットと、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、各通信デバイスペアによってなされた通信によってプライマリユーザに対して引き起こされた干渉を計算するように構成された干渉計算ユニットと
    をさらに含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の通信デバイス。
  16. 前記プロセッサが、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、各通信デバイスペアに対する電力割り当てを計算するように構成された電力割り当て計算ユニットと、
    前記スペクトル検知ユニットに連結され、各通信デバイスペアの受信機に対する実効レートを計算するように構成された実効レート計算ユニットと
    をさらに含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の通信デバイス。
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