認知無線

コグニティブ無線 ( CR )は、ユーザーの干渉や混雑を避けるために、近くにある最適なチャネルを使用するように動的にプログラムおよび構成できる無線です。このような無線は、利用可能なチャネルを自動的に検出し、それに応じて送信または受信パラメータを変更して、1 つの場所で特定の帯域でより多くの同時無線通信を可能にします。このプロセスは、動的スペクトル管理の一形態です。

オペレータのコマンドに応じて、コグニティブ エンジンは無線システムのパラメータを設定できます。これらのパラメータには、「波形、プロトコル、動作周波数、およびネットワーク」が含まれます。これは通信環境の自律ユニットとして機能し、アクセスするネットワークや他のコグニティブ無線 (CR) と環境に関する情報を交換します。CR は、「無線の出力を読み取る」ことに加えて、「自身のパフォーマンスを継続的に監視」し、この情報を使用して「RF環境、チャネル状態、リンク パフォーマンスなどを判断」し、「ユーザー要件、運用上の制限、および規制上の制約の適切な組み合わせに応じて、必要なサービス品質を提供するように無線の設定を調整します」。

いくつかの「スマート無線」提案は、ワイヤレス メッシュ ネットワーク(協調ダイバーシティを使用して 2 つの特定のノード間でメッセージがたどるパスを動的に変更)、コグニティブ無線 (パス上の 2 つの連続するノード間でメッセージによって使用される周波数帯域を動的に変更)、およびソフトウェア定義無線 ( 2 つの連続するノード間でメッセージによって使用されるプロトコルを動的に変更) を組み合わせています。

コグニティブ無線の概念は、 1998 年にストックホルムのKTH 王立工科大学のセミナーでジョセフ ミトラ 3 世によって初めて提案され、1999 年にミトラとジェラルド Q. マグワイア ジュニアによって論文として発表されました。これは無線通信における斬新なアプローチであり、ミトラは後に次のように説明しています。

無線パーソナルデジタルアシスタント(PDA) と関連ネットワークが、無線リソースと関連するコンピュータ間通信について十分な計算能力を備え、使用状況に応じてユーザーの通信ニーズを検出し、そのニーズに最も適した無線リソースと無線サービスを提供できる時点。

^[1]

コグニティブ無線は、ソフトウェア定義無線プラットフォームが進化すべき目標と考えられています。これは、ネットワークとユーザーの要求に合わせて通信パラメータを自動的に適応させる、完全に再構成可能な無線トランシーバーです。

従来の規制構造はアナログモデル用に構築されており、コグニティブ無線向けに最適化されていません。世界の規制機関（米国の連邦通信委員会や英国のOfcomなど）やさまざまな独立した測定キャンペーンにより、無線周波数スペクトルの大部分が非効率的に利用されていることが判明しました。^[2] 携帯電話ネットワーク帯域は世界のほとんどの地域で過負荷になっていますが、他の周波数帯域（軍事、アマチュア無線、ページング周波数など）は十分に利用されていません。一部の国で行われた独立した研究はこの観察結果を確認し、スペクトルの利用は時間と場所に依存すると結論付けました。さらに、固定スペクトル割り当てにより、ライセンスを持たないユーザーが割り当てられたサービスに顕著な干渉を引き起こさない場合でも、めったに使用されない周波数（特定のサービスに割り当てられた周波数）が使用されません。世界の規制機関は、ライセンスを持つユーザーに干渉を引き起こさない限り、ライセンスを持つ帯域でライセンスを持たないユーザーを許可するかどうかを検討してきました。これらの取り組みにより、コグニティブ無線研究は動的スペクトルアクセスに集中しています。

最初のコグニティブ無線地域ネットワーク規格であるIEEE 802.22は、 IEEE 802 LAN/MAN標準委員会（LMSC）^[3]によって開発され、2011年に公開されました。この規格では、スペクトル認識のために地理位置情報とスペクトルセンシングを使用しています。地理位置情報は、エリア内の認可された送信機のデータベースと組み合わせて、コグニティブ無線ネットワークで使用できるチャネルを特定します。スペクトルセンシングはスペクトルを観察し、占有されているチャネルを特定します。IEEE 802.22は、ある場所の未使用の周波数または時間の断片を活用するように設計されています。このホワイトスペースは、地理位置情報が特定されたエリア内の未使用のテレビチャンネルです。ただし、コグニティブ無線は常に同じ未使用スペースを占有することはできません。スペクトルの可用性が変化すると、ネットワークはライセンスされた送信との干渉を防ぐために適応します。^[4]

送信および受信パラメータに応じて、コグニティブ無線には主に 2 つのタイプがあります。

• フルコグニティブ無線（ミトラ無線）では、無線ノード（またはネットワーク）によって観測可能なあらゆるパラメータが考慮されます。^[5]
• スペクトラムセンシングコグニティブ無線では、無線周波数スペクトラムのみが考慮されます。

その他のタイプは、コグニティブ無線で利用可能なスペクトルの部分に依存します。

• ライセンスバンドコグニティブ無線は、ライセンスユーザーに割り当てられた帯域を使用できる（U-NII帯域やISM帯域などのライセンス不要帯域を除く）。IEEE 802.22ワーキンググループは、未使用のテレビチャンネル（TVホワイトスペースとも呼ばれる）で動作する無線地域エリアネットワーク（WRAN）の標準を開発している。^{[6] [7]}
• ライセンス不要帯域コグニティブ無線は、無線周波数（RF）スペクトルのライセンス不要部分のみを利用できます。^{[引用が必要]}このようなシステムの1つは、 IEEE 802.11とBluetoothの共存に焦点を当てたIEEE 802.15タスクグループ2仕様^[8]に記載されています。^{[引用が必要]}
• スペクトル モビリティ: コグニティブ無線ユーザーが動作周波数を変更するプロセス。コグニティブ無線ネットワークは、無線端末が利用可能な最適な周波数帯域で動作できるようにすることでスペクトルを動的に使用することを目指しており、より優れたスペクトルへの移行中にシームレスな通信要件を維持します。
• スペクトル共有^[9]：スペクトル共有コグニティブ無線ネットワークでは、コグニティブ無線ユーザーがライセンスバンドユーザーのスペクトル帯域を共有できます。ただし、コグニティブ無線ユーザーは、ライセンスバンドユーザーに発生する干渉が一定のしきい値以下に抑えられるように、送信電力を制限する必要があります。
• センシングベースのスペクトル共有：^[10]センシングベースのスペクトル共有コグニティブ無線ネットワークでは、コグニティブ無線ユーザーはまずライセンスユーザーに割り当てられたスペクトルを聞いて、ライセンスユーザーの状態を検出します。検出結果に基づいて、コグニティブ無線ユーザーは送信戦略を決定します。ライセンスユーザーが帯域を使用していない場合、コグニティブ無線ユーザーはそれらの帯域を使用して送信します。ライセンスユーザーが帯域を使用している場合、コグニティブ無線ユーザーは送信電力を制限することでライセンスユーザーとスペクトル帯域を共有します。
• データベース対応スペクトル共有、^{[11] [12]}、：^[13]このスペクトル共有の形態では、コグニティブ無線ユーザーは、共有スペクトルへのアクセスが許可または拒否される前に、ホワイトスペースデータベースにアクセスする必要があります。ホワイトスペースデータベースには、地理的エリアでのスペクトル使用率を予測し、共有スペクトルにアクセスするコグニティブ無線ユーザーによって既存のサービスにもたらされる干渉のリスクを推測するためのアルゴリズム、数学モデル、および地域の規制が含まれています。ホワイトスペースデータベースが既存サービスへの破壊的な干渉が発生すると判断した場合、コグニティブ無線ユーザーは共有スペクトルへのアクセスを拒否されます。

コグニティブ無線は当初、ソフトウェア定義無線の拡張（完全なコグニティブ無線）として考えられていましたが、ほとんどの研究はスペクトルセンシングコグニティブ無線（特にテレビ帯域）に焦点を当てています。スペクトルセンシングコグニティブ無線の主な問題は、ノード間でスペクトルセンシングデータを交換するための高品質のスペクトルセンシングデバイスとアルゴリズムを設計することです。単純なエネルギー検出器では信号の存在を正確に検出できないことが示されており、^[14]より洗練されたスペクトルセンシング技術が必要であり、ノード間でスペクトルセンシングに関する情報を定期的に交換する必要があります。協力するセンシングノードの数を増やすと、誤検出の可能性が減少します。^[15]

OFDMAを使用して、空き RF 帯域を適応的に埋めるというアプローチも考えられます。カールスルーエ大学の Timo A. Weiss 氏と Friedrich K. Jondral 氏は、空き帯域 (ノードによって感知) が OFDMA サブバンドによって即座に埋められるスペクトル プーリング システムを提案しました。スペクトル感知コグニティブ無線の用途には、緊急ネットワークやWLAN のスループット向上と伝送距離の延長などがあります。コグニティブ無線からコグニティブ ネットワークへの進化が進行中です。コグニティブ ネットワークの概念は、コグニティブ無線のネットワークをインテリジェントに編成することです。

コグニティブ無線の主な機能は以下の通りである。^{[16] [17]}

• 電力制御：電力制御^[18]は通常、干渉電力制約下でセカンダリユーザの容量を最大化し、プライマリユーザを保護するためにスペクトル共有CRシステムで使用されます。
• スペクトル センシング: 使用されていないスペクトルを検出し、他のユーザーに有害な干渉を与えることなく共有します。コグニティブ無線ネットワークの重要な要件は、空きスペクトルを検出することです。プライマリ ユーザーを検出するのが、空きスペクトルを検出する最も効率的な方法です。スペクトル センシング技術は、次の 3 つのカテゴリに分類できます。
  • 送信機検出: コグニティブ無線には、プライマリ送信機からの信号が特定のスペクトル内にローカルに存在するかどうかを判断する機能が必要です。送信機検出にはいくつかのアプローチが提案されています。
    • マッチドフィルタ検出
    • エネルギー検出：エネルギー検出は、受信信号電力を測定するだけで信号の有無を検出するスペクトルセンシング方法です。^[19]この信号検出アプローチは、実用的な実装には非常に簡単で便利です。ただし、エネルギー検出器を実装するには、ノイズ分散情報が必要です。ノイズ電力（ノイズの不確実性）に関する知識が不完全な場合、 SNRウォールの現象につながる可能性があることが示されています。SNR ウォールとは、エネルギー検出器が観測時間を増やしても送信信号を確実に検出できない SNR レベルのことです。[ ^{20]また、 [21]} SNR ウォールは、ノイズの不確実性自体の存在によって引き起こされるのではなく、観測時間が長くなるにつれてノイズ電力推定の精度が不十分になることによって引き起こされることも示されています。
    • 周期定常性特徴検出：このタイプのスペクトル検知アルゴリズムは、 BPSK、QPSK、AM、OFDMなどのほとんどの人工通信信号が周期定常性挙動を示すために動機付けられています。 ^[22]しかし、ノイズ信号（通常はホワイトノイズ）は周期定常性挙動を示しません。これらの検出器は、ノイズ分散の不確実性に対して堅牢です。このような検出器の目的は、ノイズに埋もれた人工通信信号の周期定常性を利用することです。主な決定パラメータは、プライマリ信号のCSDによって得られたゼロ以外の値を比較することです。^[23]周期定常検出器は、単一サイクルまたは複数サイクルの周期定常のいずれかです。
• 広帯域スペクトルセンシング：数百MHz、場合によっては数GHzの広いスペクトル帯域幅にわたるスペクトルセンシングを指します。現在のADC技術では高解像度で高いサンプリングレートを実現できないため、圧縮センシングやサブナイキストサンプリングなどの革新的な技術が必要です。^[24]
  • 協調検出：複数のコグニティブ無線ユーザーからの情報をプライマリユーザー検出に組み込むスペクトルセンシング方法を指す^[25]
  • 干渉ベースの検出
• ヌル空間ベースのCR : 複数のアンテナを利用して、CRはプライマリユーザーのヌル空間を検出し、ヌル空間内で送信することで、その後の送信によるプライマリユーザーへの干渉が少なくなります。
• スペクトル管理: 他の (プライマリ) ユーザーに過度の干渉を起こさずに、ユーザーの通信要件を満たすために利用可能な最良のスペクトルを取得します。コグニティブ無線は、サービス品質要件を満たすために (利用可能なすべてのバンドの中から) 最良のスペクトル バンドを決定する必要があります。したがって、コグニティブ無線にはスペクトル管理機能が必要です。スペクトル管理機能は次のように分類されます。
  • スペクトル分析
  • スペクトル決定^{[26] [27]}

スペクトル管理機能の実際の実装は、さまざまな技術的および法的要件に対処する必要があるため、複雑で多面的な問題です。前者の例としては、他のユーザーを検出するための適切な感知しきい値の選択が挙げられますが、後者の例としては、国際法（ITU無線規則）および国内法（電気通信法）で無線スペクトルアクセスに関して定められた規則と規制を満たす必要があることが挙げられます。他のサービスやネットワークへの有害な干渉を減らすために、動的なスペクトル割り当てと干渉管理を行う人工知能ベースのアルゴリズムは、6Gに向けた重要な技術実現要因となります。これにより、無線電気スペクトルの管理と規制の柔軟性が高まります。^{[28] [29]}

インテリジェントアンテナ(またはスマート アンテナ)は、空間ビーム形成と空間コーディングを使用して干渉をキャンセルするアンテナ テクノロジです。ただし、複雑な通信環境に適用するために、インテリジェントな複数アンテナ アレイまたは協調アンテナ アレイに拡張するアプリケーションが登場しています。これに対して、コグニティブ無線では、ユーザー端末がスペクトルの一部が使用されているかどうかを感知し、近隣のユーザーとスペクトルを共有できます。次の表は、この 2 つを比較したものです。

現代の多くの伝送シナリオに示されているように、両方の技術を組み合わせることができることに注意してください。^[30]

協調 MIMO (CO-MIMO) は両方の技術を組み合わせます。

コグニティブ無線 (CR) は、環境を感知し、ユーザーの介入なしに、米国のFCC規則に準拠しながらユーザーの通信ニーズに適応することができます。理論上、スペクトルの量は無限ですが、実際には、伝播やその他の理由により、特定のスペクトル部分が望まれるため、有限です。割り当てられたスペクトルは完全に利用されるにはほど遠く、効率的なスペクトルの使用はますます懸念されています。CR は、この問題に対する解決策を提供します。CR は、スペクトルのどの部分が使用されているかをインテリジェントに検出し、他のユーザーの送信を妨害することなく一時的に使用できます。^[31]ブルース・フェッテによると、「無線の他の認知機能には、位置の特定、近隣のデバイスによるスペクトルの使用の感知、周波数の変更、出力の調整、さらには送信パラメータと特性の変更などがあります。これらすべての機能、およびまだ実現されていない他の機能により、無線スペクトルのユーザーはリアルタイムのスペクトル状態に適応する能力が得られ、規制当局、ライセンス、および一般の人々に、スペクトルの柔軟で効率的で包括的な使用が提供されます。」

アプリケーションの例は次のとおりです。

• ホワイトスペースを活用したCRネットワークの緊急・公共安全通信への応用^{[32] [33]}
• ダイナミックスペクトラムアクセス（DSA）を実行するためのCRネットワークの可能性^{[34] [35]}
• 化学・生物・放射線・核攻撃の検知と調査、指揮統制、戦闘被害評価の情報の取得、戦場監視、情報支援、標的設定などの軍事行動へのCRネットワークの応用。^[36]
• また、これらは、血糖値、血圧、血中酸素、心電図（ECG）などの患者の重要な情報を医師に即座に通知するのに役立つ、遍在的な患者モニタリングに利用できる医療ボディエリアネットワーク^[23]の構築にも役立つことが証明されています。これにより、感染のリスクが軽減され、患者の移動性も向上するという追加の利点が得られます。
• コグニティブ無線は無線センサーネットワークにも実用的であり、プライマリキューとセカンダリキューを使用してパケット中継を行い、遅延なく最小限の電力消費でパケットを転送することができる。^[37]

現在、モデリングとシミュレーションは、特定の環境のコグニティブ無線ネットワークにおける複雑な動作のシミュレーションを可能にする唯一のパラダイムです。OPNET 、NetSim、MATLAB 、 ns2などのネットワークシミュレーターを使用して、コグニティブ無線ネットワークをシミュレートできます。CogNS ^[38]は、コグニティブ無線ネットワーク用のオープンソースのNS2ベースのシミュレーションフレームワークです。ネットワークシミュレーターを使用した研究分野には以下が含まれます。

1. スペクトルセンシングと既存機器検出
2. スペクトル割り当て
3. スペクトル使用の測定および/またはモデリング^{[39] [40]}
4. スペクトル利用の効率性^{[39] [40]}

ネットワークシミュレータ3（ns-3）もCRをシミュレートするための実行可能なオプションです。^[41 ] ns-3は、​​Atheros WiFiデバイスなどの市販ハードウェアの助けを借りてCRネットワークをエミュレートおよび実験するためにも使用できます。^[41]

ライセンス不要の帯域がさまざまな無線機器やサービスに対応していることから、FCC はライセンス不要で使用できる帯域をさらに開放することを検討するようになりました。対照的に、ライセンス帯域は周波数割り当てが静的なため、十分に活用されていません。CR 技術は、既存のユーザーに干渉を与えることなく、効率的に利用されていないライセンス帯域を活用できる可能性があることを認識し、FCC はライセンス不要の無線が TV 放送帯域で動作できるようにする規則制定案の通知を発表しました。2004年 11 月に結成されたIEEE 802.22ワーキング グループは、TV サービスに割り当てられたスペクトルでライセンス不要のデバイスを動作させるための無線地域ネットワーク (CR センシングに基づく) のエア インターフェイス標準を定義することを任務としています。 ^[42]ライセンス不要の TV スペクトル利用に関する後の FCC 規制に準拠するために、IEEE 802.22 は、既存のサービスへの干渉を避けるために、必須のTV ホワイト スペース データベースへのインターフェイスを定義しました。 ^[43]スペクトル地理位置データベースは、受信機の複雑さや、例えばセンシングエラーや隠れたノードからの干渉の可能性を減らすことができますが、データベースはスペクトル利用のきめ細かい定量化をキャプチャできず、リアルタイムで更新されないため、スペクトル利用効率が低下するという代償を伴います。協調センシングと人工知能に基づく分散スペクトル管理は、将来、スペクトル利用効率と干渉緩和の間のより良いバランスに貢献する可能性があります。^[44]

• チャネル割り当て方式
• チャネル依存のスケジュール
• 認知ネットワーク
• LTEアドバンスト
• ネットワークシミュレータ
• 直交周波数分割多重方式
• 無線リソース管理(RRM)
• 空白（ラジオ）
• 空白（データベース）
• ソフトウェア無線

• バークレー無線研究センター認知無線ワークショップ – 認知無線に関する最初のワークショップ。主にトピック内の研究課題に焦点を当てました。
• バージニア工科大学無線通信センター（CWT）
• 連邦通信委員会の認知無線技術議事録 – 連邦通信委員会による認知無線に関する規則
• IEEE DySPANカンファレンス