コグニティブ無線の可能性 移動通信における電波資源拡大のための研究開発 2008 年 2 月 18 日 眞田幸俊慶應義塾大学理工学部電子工学科
Receive a Message Read Buttons コグニティブ無線の定義 A radio that employs model-based reasoning to achieve a specific level of competence in radiorelated domains Orient The Normal Pre-process Cognitive Urgent Cycle Observe Outside World New Status Prior Status Send a Message Immediate -2- Act Learn Save Global Status Plan Initiate Process Register to Current Time Decide Allocate Resources Mitola, J., III, Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications, Proc. MoMuC 99
1 つの定義 無線通信環境 送受信機の状態, 能力 マルチバンド マルチモード 信号処理能力 バッテリー資源 通信路状態 利用可能周波数帯 伝搬路環境 ( 遅延時間軸, 空間軸 ) トラフィック ( 有線, 無線 ) ユーザー側要求 データレート通信状態 QoS コストに応じて 周波数資源 ( 帯域, 経路 ) 送受信機処理 ( 信号処理, バッテリー資源 ) 通信品質 ( データレート, 経路,QoS, コスト ) を最適化 -3- 観測 送受信機状態 判断 Immediate 学習 Urgent 処理 Normal 計画 決定
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 端末の移動 -4-
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 WLAN 信号レベルの低下 -5-
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 対応策の検討 -6-
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 他システムへの切り替え検討 -7-
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 3G システムへの切り替え決定 -8-
例. 無線 LAN から 3G への切り替え NW 判断 Urgent Normal 観測 Immediate 学習 計画 通信状態 送受信機状態 処理 決定 3G システムと接続 -9-
主要 IX におけるピークトラフィック (JPIX/JPNAP/NSPIXP) Aggregated IX traffic [Gbps] Annual growth rate ブロードバンド普及による指数関数的増加 2002 年には年率 4.5 倍 最近は 50% 程度の増加 300 250 200 150 100 5 4 3 2 50 Traffic volume 1 Growth rate 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Year -10- 長健二朗. ISP から見たブロードバンドトラフィックの傾向. JPNIC 総会, March 2007. 0
ユーザーの希望リアルタイム & ロバストな無線通信への要求 高データレート ストリーミング 遅延可 E-mail WEB VoIP Chat リアルタイム性ロバスト性 緊急通信 非常災害 高齢化社会 低データレート -11-
コグニティブ無線を取り巻く環境周波数再編方針 2003 年 7 月 : 電波政策ビジョン 世界最先端のワイヤレスブロードバンド環境の構築 抜本的な周波数割り当ての見直し 今後中核となる電波利用システム 周波数再編の方針 移動通信システム 270MHz 340MHz(5 年 ) 1380MHz (10 年 ) 無線 LAN 200MHz 480MHz(5 年 ) 740MHz (10 年 ) 地上テレビジョンデジタル化の円滑な推進とその普及, 発展 RFID 高度利用が進展 UWB,ITX, 準天頂衛星通信システム, 情報家電電波利用システムの高度化, 開発の進展及び導入の促進 1) 5 年以内に 1.7GHz 帯,2.5GHz 帯を中心に約 340MHz を確保 2) 5~10 年以内に 5~6GHz 以下を中心に 1.38GHz を確保 1) 5 年以内に 5GHz 帯を中心に最大で 480MHz の周波数需要に対応可能 2) 5~10 年以内に 5GHz 帯等を中心に最大で約 740MHz の周波数需要に対応可能な周波数を確保 1) デジタル放送の円滑な全国展開のための周波数割当て 2) UHF 帯は 2012 年以降移動通信システムに利用 3) VHF 帯は地上デジタル音声放送, 新規事業への割当て 950MHz 帯付近等の新たな周波数帯も検討 UWB 無線システム :2006 年 8 月制度化 ITS 関連 : 既存の周波数の有効利用, 高度化準天頂衛星通信システム :2.6GHz 帯が音声衛星放送用情報家電 : 利用状況の調査や使用ニーズを踏まえ検討 小泉 : 電波解放戦略とワイヤレスブロードバンド推進に向けた総務省の取組 -12-,. 電子情報通信学会技術報告,SR2006-5,2006 年 4 月
コグニティブ無線による周波数資源有効利用無線システム選択 ( 周波数軸 ) 利用可能なシステムを認識し, 要求された QoS に合わせて最適な無線システムを選択 マルチモード端末によるモード切替 マルチバンド端末による複数バンド利用 NW PDC PHS IMT- 2000 WLAN WiMax IMT- Adva nced WLAN -13-
コグニティブ無線による周波数資源有効利用周波数共用 ( 時間 / 空間軸 ) 通信路環境を認識し, 通信可能な時間 / 空間を選択 アドホックネットワーク IEEE802.22 UWB における干渉回避機能 第 4 世代移動体通信 /WiMAX アドホックネットワーク UWB 干渉回避 -14-
マルチモード / マルチバンドを達成するソフトウェア無線技術 RF 信号 マルチバンドアンテナ, 広帯域受信機により複数の周波数帯の信号を受信 高速 A/D 変換器によりできるだけアンテナ側で受信信号をディジタルに変換 マルチモード対応のディジタル信号処理により受信信号を処理 マルチバンド RF A/D 変換器 ディジタル信号処理 出力 制御部 -15- S. Haruyama, R. Morelos-Zaragoza, Y. Sanada, "A Software Defined Radio Platform with Direct Conversion: SOPRANO," Wireless Personal Communications, Vol.23, Issue 1, pp.67-76, Oct. 2002.
コグニティブ無線の位置づけ ユーザー側要求 周波数資源有効利用 コグニティブ無線 ソフトウェア無線技術 -16-
コグニティブ無線の可能性ホームネットワークにおけるコグニィブ無線 ハードディスク / メモリ内のデータを共有 方式の違いをユーザに意識させないネットワーク IPTV Broadcasting NW PLC 802.8i/u 802.11a/b/g/n Bluetooth UWB NFC -17-
コグニティブ無線の可能性モバイル環境下のコグニティブ無線 ネットワーク越しにコンテンツにアクセス ネットワークを含めてQoSを制御 NW ロバストな無線通信 IPTV CP LAN 802.11a/b/g/n WiMax 3G/HSDPA/4G -18-
コグニティブ無線を取り巻く世界の研究開発 ITU-R SG5 WP5A IEEE P1900 IEEE802.15 IEEE802.16 IEEE802.22 移動通信における電波資源拡大のための研究開発 電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会 世界に先駆けた実証実験 -19-
電子情報通信学会ソフトウェア無線研究会 1999 年発足 1999 年 -2005 年の発表内容 6% 6% Softwar e 11% Security Antenna 21% General Issue 7% Etc. 3% 6% Government Research Institute 43% University 25% Signal Processing 31% Hardware 41% Industry Research Topics 3 月 5 日 -7 日移動通信 WS@YRP 電波利用料 R&D 研究成果特別セッション オーガナイズド一般セッション -20- Affiliations of Presenters
電子情報通信学会論文誌和文特集号 -21-
まとめ コグニティブ無線の定義 コグニティブ無線による周波数有効利用 ソフトウェア無線とコグニティブ無線 コグニティブ無線の応用 コグニィブ無線の研究開発 -22-