コグニティブ無線

コグニティブ無線 （CR ）とは、ユーザーの干渉や混雑を回避するために、周囲の最適なチャネルを動的に選択して使用できる無線機です。このような無線機は、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することで、特定の周波数帯域でより多くの無線通信を同時に行えるようにします。このプロセスは、動的スペクトル管理の一種です。

オペレーター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、ネットワーク」が含まれます。これは通信環境において自律的な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機（CR）と環境に関する情報を交換します。CRは「無線機の出力を読み取る」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、リンク性能などを判断し」、ユーザー要件、運用上の制約、および規制上の制約の適切な組み合わせに基づいて、必要なサービス品質を提供できるよう無線機の設定を調整します。

一部の「スマート無線」の提案では、無線メッシュネットワーク（協調ダイバーシティを使用して、指定された2つのノード間のメッセージの経路を動的に変更する）、コグニティブ無線（経路上の連続する2つのノード間のメッセージが使用する周波数帯域を動的に変更する）、およびソフトウェア定義無線（連続する2つのノード間のメッセージが使用するプロトコルを動的に変更する）を組み合わせている。

コグニティブ無線という概念は、1998年にストックホルムのKTH王立工科大学で開催されたセミナーでジョセフ・ミトラ3世によって初めて提唱され、1999年にミトラとジェラルド・Q・マグワイア・ジュニアによる論文で発表された。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る。

無線式携帯情報端末（PDA）および関連ネットワークが、無線リソースおよび関連するコンピュータ間通信に関し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、それらのニーズに最も適した無線リソースおよび無線サービスを提供できる状態。

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コグニティブ無線は、ソフトウェア無線プラットフォームが進化していくべき目標と考えられている。それは、ネットワークやユーザーの要求に応じて通信パラメータを自動的に調整する、完全に再構成可能な無線トランシーバーである。

従来の規制構造はアナログモデルに基づいて構築されており、コグニティブ無線には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では、ほとんどの無線周波数スペクトルが非効率的に使用されていることがわかりました。^{[ 2 ]}世界のほとんどの地域でセルラーネットワークバンドは過負荷状態ですが、他の周波数バンド（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。いくつかの国で行われた独立した調査では、この観察が確認され、スペクトル利用は時間と場所によって異なると結論付けられました。さらに、固定スペクトル割り当てでは、ライセンスのないユーザーが割り当てられたサービスに目立った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、ライセンスのないユーザーがライセンスユーザーに干渉を引き起こさない場合に、ライセンスバンドでライセンスの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、コグニティブ無線の研究は動的スペクトルアクセスに集中しています。

最初の認知無線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。この規格は、スペクトル認識のために位置情報とスペクトルセンシングを使用します。位置情報は、エリア内のライセンスされた送信機のデータベースと組み合わせて、認知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監視し、使用中のチャネルを特定します。IEEE 802.22は、場所の未使用の周波数または時間の断片を利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、位置情報が付けられたエリアの未使用のテレビチャンネルです。ただし、認知無線は常に同じ未使用スペースを占有できるわけではありません。スペクトルの利用可能性が変化すると、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、認知無線には主に2つのタイプがあります。

• 完全認知無線（ミトラ無線）では、無線ノード（またはネットワーク）が観測可能なすべてのパラメータが考慮されます。^{[ 5 ]}
• スペクトルセンシング型コグニティブ無線とは、無線周波数スペクトルのみを考慮する方式である。

その他のタイプは、認知無線に利用可能なスペクトルの一部に依存します。

• 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バンドを使用できる（U-NIIバンドやISM バンドなどの非ライセンスバンドを除く）。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、別名 TVホワイトスペースで動作する無線地域ネットワーク (WRAN) の標準を開発している。^{[ 6 ] [ 7 ]}
• 非免許帯域コグニティブ無線は、無線周波数（RF）スペクトルの非免許部分のみを利用できます。そ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。
• スペクトル移動：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利用し、より優れたスペクトルへの移行時にもシームレスな通信要件を維持することを目指しています。
• 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帯域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、ライセンス帯域ユーザーに引き起こされる干渉が一定の閾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リッスンして、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バンドを使用していない場合は、コグニティブ無線ユーザーはそのバンドで送信します。ライセンスユーザーがバンドを使用している場合は、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バンドを共有します。
• 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方式では、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を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利用を予測し、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サービスに及ぼされる干渉のリスクを推測するためのアルゴリズム、数理モデル、およびローカル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。

認知無線は当初、ソフトウェア無線拡張（完全な認知無線）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認知無線（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認知無線の主な問題は、高品質のスペクトルセンシングデバイスと、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 ]}、より高度なスペクトルセンシング技術が必要であり、スペクトルセンシングに関する情報をノード間で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、誤検出の確率が低下します^{[ 15 ] 。}

OFDMAを使用して空きRF帯域を適応的に埋めることは、可能なアプローチの一つです。カールスルーエ大学のTimo A. Weiss氏とFriedrich K. Jondral氏は、ノードによって検出された空き帯域をOFDMAサブバンドで即座に埋めるスペクトルプーリングシステムを提案しました。スペクトルセンシング型コグニティブ無線の応用例としては、緊急ネットワークやWLANのスループット向上、伝送距離の延長などが挙げられます。コグニティブ無線はコグニティブネットワークへと進化しており、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構成することです。

コグニティブ無線（CR）は、周囲の環境を感知し、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、伝搬などの理由から、特定のスペクトル部分の必要性から、実際には有限です。割り当てられたスペクトルは十分に活用されておらず、効率的なスペクトル利用が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することができます。^{[ 31 ]}ブルース・フェッテ氏によると、「無線機のその他の認知能力には、位置の特定、近隣デバイスによるスペクトル使用の感知、周波数の変更、出力電力の調整、さらには送信パラメータや特性の変更などが含まれます。これらの機能、およびまだ実現されていないその他の機能はすべて、無線スペクトルユーザーにリアルタイムのスペクトル状況に適応する能力を提供し、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かつ包括的な利用を提供します」。

アプリケーションの例としては、以下のようなものがあります。

• ホワイトスペースを利用した緊急通信および公共安全通信へのCRネットワークの応用^{[ 32 ] [ 33 ]}
• CRネットワークが動的スペクトルアクセス（DSA）を実行する可能性^{[ 34 ] [ 35 ]}
• CRネットワークの応用例としては、化学・生物・放射性物質・核攻撃の探知と調査、指揮統制、戦闘被害評価情報の入手、戦場監視、情報支援、標的設定などが挙げられる。^{[ 36 ]}
• ^{また、医療用身体領域ネットワーク[ 23 ]}の構築にも役立つことが証明されており、これは患者の血糖値、血圧、血中酸素濃度、心電図（ECG）などの重要な情報を医師に即座に通知するのに役立つ、遍在する患者モニタリングに利用できます。これにより、感染リスクの低減や患者の可動性の向上という追加の利点も得られます。
• コグニティブ無線はワイヤレスセンサーネットワークにも実用的で、パケットリレーはプライマリキューとセカンダリキューを使用して遅延なく最小限の電力消費でパケットを転送できます。^{[ 37 ]}

現在、モデリングとシミュレーションは、特定の環境におけるコグニティブ無線ネットワークの複雑な動作をシミュレーションでき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ションできます。CogNS ^{[ 38 ]}は、コグニティブ無線ネットワーク向け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を使用した研究分野には、次のものがあります。

1. スペクトルセンシングと既存機器の検出
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. スペクトル利用効率^{[ 39 ] [ 40 ]}

Network Simulator 3 (ns-3) も CR のシミュレーションに有効な選択肢です。^{[ 41 ]} ns-3 は、Atheros WiFi デバイスなどの市販のハードウェアを使用して 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 ]}

免許不要帯域がさまざまな無線機器やサービスに対応できるようになったことで、FCC は免許不要帯域をさらに開放することを検討するに至った。一方、免許帯域は静的な周波数割り当てのため十分に活用されていない。CR 技術が、既存ユーザーに干渉することなく、非効率的に利用されている免許帯域を活用する可能性を秘めていることを認識し、FCC は免許不要無線機がテレビ放送帯域で動作することを許可する規則制定案の通知を発表した。2004年 11 月に設立されたIEEE 802.22ワーキンググループは、テレビサービスに割り当てられたスペクトルで免許不要機器が動作す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 インターフェース標準を定義する任務を負っている。^{[ 42 ]}テレビスペクトルの免許不要利用に関する後の FCC 規制に準拠するため、IEEE 802.22 は、既存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ースを定義した。 ^{[ 43 ]}スペクトル位置情報データベースは、受信機の複雑さや、例えばセンシングエラーや隠れノードによる干渉確率を低減できるが、データベースがスペクトル利用のきめ細かな定量化を捉えることができず、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う。人工知能に基づく協調センシングと分散スペクトル管理は、将来的にスペクトル利用効率と干渉緩和のより良いバランスに貢献する可能性がある。^{[ 44 ]}

• チャネル割り当て方式
• チャネル依存のスケジューリング
• 認知ネットワーク
• 協調的多様性
• 汚れた紙のコーディング
• リンク適応
• LTEアドバンスト
• ネットワークシミュレーター
• OfDMA
• 無線資源管理（RRM）
• ホワイトスペース（ラジオ）
• 空白文字（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 – 認知無線に関する初のワークショップ。その焦点は主にこの分野における研究課題に置かれていた。
• バージニア工科大学ワイヤレス通信センター（CWT）
• 認知無線技術に関する連邦通信委員会の議事録 – 連邦通信委員会による認知無線に関する規則
• IEEE DySPAN会議