JP2008048236A - 無線通信システム及び無線通信制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線基地局と無線中継局とを含む無線通信システム及び通信制御方法に関し、端末との間のリンク確立を迅速化する。
【解決手段】無線基地局ＢＳと無線中継局ＲＳとを有し、端末ＭＳ＃２は無線基地局ＢＳとの間、又端末ＭＳ＃１は無線基地局ＢＳと無線中継局ＲＳとの間のリンクにより無線通信を行う無線通信システムに於いて、無線基地局ＢＳは、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とのアンテナ特性切替手段と、無指向性アンテナ特性による通常サービスエリアａの外側のアダプティブアレーアンテナ特性による拡張サービスエリアｂ内又は無線中継局ＲＳのサービスエリアｃ内の端末ＭＳ＃１に対して、アンテナ特性切替手段によりアダプティブアレーアンテナ特性に切替えて端末ＭＳ＃１にビームを向ける制御手段とを備え、端末ＭＳと無線基地局ＢＳとの間のリンク確立を迅速化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、無線基地局と無線中継局と移動可能の端末とを含む無線通信システム及び無線通信制御方法に関する。

無線通信システムは、各種の方式が知られており、携帯電話等に於いては、Ｗ−ＣＤＭＡ方式等が実用化されている。又ＷｉＭＡＸ（Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式も高速伝送方式として開発されている。又無線基地局と移動又は固定の端末との間の無線通信に於いて、信号対干渉及び雑音電力比（ＳＩＮＲ；Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ａｎｄ−Ｎｏｉｓｅ−Ｒａｔｉｏ）を向上させる技術として、アダプティブアレーアンテナ（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）方式が知られている。このアダプティブアレーアンテナ方式は、積極的に端末への信号電力を増大させることを目的としたビームフォーミング（ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）方式と、他の端末への干渉電力を低減することを目的としたヌルフォーミング（ｎｕｌｌｆｏｒｍｉｎｇ）方式とに大別される。

このようなアダプティブアレーアンテナ方式を適用する場合、無線基地局は端末の存在とその方向とを検出することが必要であり、その為のネットワークエントリ（端末の感知）を行う為に、報知情報（ブロードキャストメッセージ）を用いるのが一般的である。この報知情報は、無線基地局のエリア内の全端末が受信できることを前提としており、従って、通常は無指向性（オムニ）アンテナにより送信する。これは、端末の位置が不明の場合に、端末方向へのビーム形成ができない為である。このオムニアンテナの利得は、ビームを形成する指向性アンテナの利得より小さい為に、サービスエリアの半径は小さくなり、従って、オムニアンテナのサービス半径より外側に存在する端末は通信サービスを受けることができないものとなる。

そこで、（１）無線基地局は、報知情報を繰り返し送信し、端末側では時間平均を取ることにより、ＳＮＲ（信号対雑音電力比）を受信最低レベルまで向上させて、報知情報を受信し（下りリンク）、端末も同様にレスポンスを繰り返し送信し、無線基地局に対して端末の存在を通知する（上りリンク）方式と、（２）無線基地局で予めビームを形成し、３６０度方向にビームを回転させながらスキャンし、端末は自分の方向にビームが向いた時に報知情報を受信する間欠受信を行い（下りリンク）、上りリンクについては前述の場合と同様に、レスポンスを繰り返し送信することにより、無線基地局に対して端末の存在を通知する（上りリンク）方式とが知られている。これらの（１），（２）の何れかの方式を適用した場合、通常の通信シーケンスに再送制御シーケンスが介在することになり、（１），（２）の何れの方式もネットワークエントリまでの時間が長くなり、且つ無線基地局と端末とは、共に演算処理量が大きくなる。更に、（１），（２）の何れの方式も確実にネットワークエントリが実現されるとは限らず、サービス提供の面からも問題が残る。

又無線基地局に対して中継送受信する無線中継局を設置した無線通信システムが知られており、無線基地局のサービスエリアの不感帯（ホール）やサービスエリアの拡大の為に無線中継局を設置するものであるが、無線基地局と端末との間のリンクに、更に無線基地局と無線中継局との間のリンク及び無線中継局と端末との間のリンクが追加されることになる為、伝送効率が低下する。特に、無線中継局を介したリンクが増加すると、伝送効率は著しく低下する。その為、無線中継局を介して通信できる端末数が制限される。

又Ｗ−ＣＤＭＡ方式を適用した無線通信システムの無線基地局に於いて、送信アレーアンテナと送信ビームフォーマと、受信アレーアンテナと受信ビームフォーマとを設け、受信ビームフォーマによる処理によって、複数の上りビームを形成し、受信電力最大となる上りビームを選択して受信処理し、この選択したビームの方向に送信ビームが形成されるように送信ビームフォーマにより処理して送信アレーアンテナから送信し、所定の時間、端末からの上り受信信号がない場合は、その端末に向けた送信ビームを形成しないように送信ビームフォーマを制御する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２６６２２８号公報 この特許文献１に於いては、予め複数の送受信ビームを形成し、端末からのネットワークエントリ要求を認識し、その後ビームを向けるが、これはビーム形成が固定されていることが前提であり（所謂スイッチドビーム）、端末の移動に伴う適応的なビーム制御はできない。よって、端末の移動によりビームを切替えるハンドオーバ処理が頻発する。

無線通信システムに於ける無線基地局のサービスエリアの拡大又は不感帯救済等の為に無線中継局を設け、且つ無線基地局は、アダプティブアレーアンテナ方式を適用することにより、端末の通信可能の移動範囲を拡大することができるが、前述のように、ネットワークエントリに要する時間が長くなると共に、端末が無線中継局を介して無線基地局との間の通信を行う場合に、無線中継局と無線基地局との間と、無線中継局と端末との間と、無線基地局と端末との間のリンクを形成することによる伝送効率の低下の問題がある。

本発明は、前述の従来の問題点を解決するもので、無線基地局と端末との間のリンク確立を迅速化し、且つ伝送効率の低下を防止するものである。

本発明の無線通信システムは、無線基地局と無線中継局とを有し、端末は、前記無線基地局との間又は前記無線基地局と前記無線中継局との間のリンクにより無線通信を行う無線通信システムに於いて、前記無線基地局は、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とのアンテナ特性切替手段と、前記無指向性アンテナ特性による通常サービスエリアの外側の前記アダプティブアレーアンテナ特性による拡張サービスエリア内又は前記無線中継局のサービスエリア内の前記端末に対して、前記アンテナ特性切替手段により前記アダプティブアレーアンテナ特性に切替えて前記端末にビームを向ける制御手段とを備えている。

又前記無線中継局は、前記無線基地局と前記端末との間の制御情報を、通信状況に対応して変換して中継する制御情報変換回路を備えている。又前記無線中継局は、アダプティブアレーアンテナ特性により少なくとも前記端末の方向にビームを向ける手段を備えている。

又本発明の無線通信制御方法は、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とを切替える手段を含む無線基地局と、該無線基地局と端末との間を無線中継する無線中継局とを有し、前記無線基地局と端末との間の無線通信を行う無線通信制御方法に於いて、前記無線基地局は、前記無線中継局を介した前記端末からの制御情報受信により、前記アダプティブアレーアンテナ特性により前記端末に対するビームを形成して、前記無線基地局と前記端末との間の通信を行う過程を含むものである。

又前記無線基地局は、前記無線中継局のサービスエリア内のビームのスキャンによる前記端末の通信品質情報を前記無線中継局を介して受信し、前記通信品質が良くなる方向に前記ビームを向ける制御を行う過程を含むものである。又前記無線基地局は、前記端末との間で無線通信するか、該端末と前記無線中継局を介して無線通信するかを前記無線中継局の収容能力に応じて選択制御する過程を含むものである。

又前記無線中継局は、前記端末の通信品質情報が所定値以下に低下したことを基に前記無線基地局に対してハンドオーバの開始を通知する過程を含むものである。又前記無線基地局の前記アダプティブアレーアンテナ特性によるビームと複数の前記無線中継局の前記アダプティブアレーアンテナ特性によるビームとにより空間分割多重通信を行う過程を含むものである。又複数の前記無線中継局を介して前記無線基地局と前記端末との間の無線中継通信を、前記無線基地局と前記端末がサービスエリア内に存在する前記無線中継局との間を、ビーム形成により直接的に無線通信するように切替える過程を含むものである。

無線基地局の無指向性アンテナ特性による通常サービスエリア外の端末は、無線中継局を介して無線基地局に通知することにより、無線基地局は、端末のネットワークエントリを迅速に認識し、アダプティブアレーアンテナ特性に切替えて、ビームを端末が位置する無線中継局方向に向けることにより、リンク確立を迅速化して、無線基地局と端末とは直接的に無線通信することが可能となる。又無線中継局は、アダプティブアレーアンテナ特性によるビーム形成の手段を設けることにより、複数リンクの形成や、ポップ数の削減等を行って、効率の良い無線通信サービスを提供することができる。

本発明の無線通信システムは、図２を参照すると、無線基地局ＢＳと無線中継局ＲＳとを有し、端末ＭＳ＃２は無線基地局ＢＳとの間、又端末ＭＳ＃１は無線基地局ＢＳと無線中継局ＲＳとの間のリンクにより無線通信を行う無線通信システムに於いて、無線基地局ＢＳは、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とのアンテナ特性切替手段と、無指向性アンテナ特性による通常サービスエリアａの外側のアダプティブアレーアンテナ特性による拡張サービスエリアｂ内又は無線中継局ＲＳのサービスエリアｃ内の端末ＭＳ＃１に対して、アンテナ特性切替手段によりアダプティブアレーアンテナ特性に切替えて端末ＭＳ＃１にビームを向ける制御手段とを備えている。

本発明の無線通信制御方法は、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とを切替える手段を含む無線基地局ＢＳと、この無線基地局ＢＳと端末ＭＳとの間を無線中継する無線中継局ＲＳとを有し、無線基地局ＢＳと端末ＭＳとの間の無線通信を行う無線通信制御方法に於いて、無線基地局ＢＳは、無線中継局ＲＳを介した端末ＭＳからの制御情報受信により、アダプティブアレーアンテナ特性により端末ＭＳに対するビームを形成して、無線基地局ＢＳと端末ＭＳとの間の通信を行う過程を含むものである。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１は無線基地局（ＢＳ）、２は端末（ＭＳ）、３は無線中継局（ＲＳ）を示し、無線基地局１は、アレーアンテナ１０と、ＲＦ（高周波）回路１１と、受信処理部１２と、送信処理部１３とを含み、受信処理部１２は、上りビームフォーミング回路１４と、受信回路１６と、フレーム分離回路１８と、切替回路ＳＷ１とを含み、フレーム分離回路１８により制御情報とユーザデータとを分離する。又送信処理部１３は、下りビームフォーミング回路１５と、送信回路１７と、フレーム生成回路１９と、切替回路ＳＷ２とを含み、フレーム生成回路１９により制御情報とユーザデータとを含むフレームを生成する。なお、各部を制御するプロセッサ等からなる制御処理部は図示を省略している。又無線基地局１は、コアネットワークと接続されるものであるが、この接続構成も図示を省略している。又切替回路ＳＷ１，ＳＷ２は、アレーアンテナ１０を、無指向性（オムニ）アンテナ特性とするか、又はビーム形成のアダプティブアレーアンテナ特性とするかを切替える為のものであり、上りビームフォーミング回路１４と下りビームフォーミング回路１５を含めてアンテナ特性切替手段を構成している。このアンテナ特性切替手段は、各種の電子回路による切替手段を適用することができる。

又端末（ＭＳ）２は、移動可能、且つ、ユーザが直接操作するもので、アンテナ２０と、ＲＦ（高周波）回路２１と、受信処理部２２と、送信処理部２３と、受信回路２４と、送信回路２５と、フレーム分離回路２６と、フレーム分離回路２７と、制御情報解析回路２８とを含む構成を有し、フレーム分離回路２６により制御情報とユーザデータとを分離して受信処理し、制御情報解析回路２８により制御情報を解析し、必要に応じて上りリンクの制御情報をフレーム生成回路２７に、上りリンクのユーザデータと共に入力し、送信回路２５を介して送信する。なお、各部を制御する制御処理部、ユーザの操作入出力手段、表示手段等は図示を省略している。

又無線中継局（ＲＳ）３は、アンテナ３０と、ＲＦ（高周波）回路３１と、下りリンク処理部３２と、上りリンク処理部３３と、受信回路３４−１，３４−２と、送信回路３５−１，３５−２と、フレーム分離回路３６−１，３６−２と、フレーム生成回路３７−１，３７−２と、制御情報変換回路３８−１，３８−２とを含む構成を有するもので、各部を制御するプロセッサ等を含む制御処理部は図示を省略している。又アンテナ３０は、アレーアンテナとして無線基地局１と同様にビームを形成することも可能であるが、通常のアンテナの場合について示している。

無線基地局１の切替回路ＳＷ１，ＳＷ２を図示の切替状態とすると、上りビームフォーミング回路１４と下りビームフォーミング回路１５とが接続されないので、アレーアンテナ１０は、オムニ（無指向性）アンテナ特性となり、通常サービスエリア内の端末２との間で直接無線通信が可能となる。又切替回路ＳＷ１を切替えて、上りビームフォーミング回路１４を、受信回路１６とＲＦ回路１１との間に接続し、上りビームフォーミング回路１４によるアンテナウエイト処理により受信ビーム（上りビーム）形成が可能となる。又切替回路ＳＷ２を切替えて、下りビームフォーミング回路１５を送信回路１７とＲＦ回路１１との間に接続し、下りビームフォーミング回路１６によるアンテナウエイト処理により送信ビーム（下りビーム）形成が可能となる。即ち、切替回路ＳＷ１、ＳＷ２を含むアンテナ特性切替手段により、無指向性アンテナ特性と、アダプティブアレーアンテナ特性との切替えを行うことができる。

又無線中継局３は、制御情報の中継送受信処理を行う下りリンク処理部３２と、上りリンク処理部３３とを含む構成の場合を示すが、ユーザデータの中継送受信手段を含む構成とすることもできる。又制御情報変換回路３８−１，３８−２は、図示を省略した制御処理部による判断によって、或いは予め設定された条件により、制御情報の変換中継を行う為のものであり、例えば、無線基地局１からの制御情報が通信可能帯域のみを示す情報を含む場合に、中継無線局３の配下となった端末に対して割当てる帯域を示す制御情報に変換して、下りリンクにより送信する場合の制御情報の変換処理を行うことになる。なお、制御情報の変換手段を省略して、無線基地局１と端末２との間の制御情報の中継送受信のみを行う構成とすることもできる。又端末２は、無線基地局１との間又は無線中継局３との間で無線通信が可能のものであり、図示の状態では、無線基地局１が制御情報をオムニアンテナ特性で送信し、この制御情報を無線中継局３が中継送信し、この無線中継局３を介して端末２が制御情報を受信し、無線基地局１に対するエントリ送信を行い、基地局１は、アダプティブアレーアンテナ特性で送受信することにより、端末２との間でユーザデータの送受信を行う場合を示している。

図２は、無線基地局（以下ＢＳと略称する）と、端末（以下ＭＳ＃１〜ＭＳ＃３と略称する）と、無線中継局（以下ＲＳと略称する）との配置とサービスエリアとの関係を示すもので、ＢＳのビーム形成を行わない場合の通常サービスエリアａと、アダプティブアレーアンテナ特性によるシステム（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ Ｓｙｓｔｅｍ；ＡＡＳ）によるビーム形成を行った場合の拡張部分のサービスエリア、即ち、ＡＡＳ拡張エリアｂと、ＲＳによるサービスエリアのＲＳカバーエリアｃとの一例を示し、又端末としては、通常サービスエリアａ内のＭＳ＃１と、ＡＡＳ拡張エリアｂ内のＭＳ＃２と、ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳ＃３とを一例として示している。

図３は、本発明の実施例１のフレームフォーマットの説明図であり、ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）方式を適用して全二重通信を行う場合のフレーム構成の一例を示し、図２に於ける通常サービスエリアａ内のＭＳ＃２と、ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳ＃１とについて、下りリンク（ＤＬ；Ｄｏｗｎ Ｌｉｎｋ）と、上りリンク（ＵＬ；Ｕｐ Ｌｉｎｋ）とのフレーム内容を示す。フレームの先頭のＤＬ ｃｏｎｔｒｏｌはダウンリンクの制御信号、ＢＳ→ＲＳ Ｚｏｎｅに、無線基地局１から無線中継局３へのバースト信号ＲＳ ｂｕｒｓｔ、ＢＳ→ＭＳ Ｚｏｎｅに、無線基地局１から端末２へのバースト信号ＭＳ＃２ ｂｕｒｓｔ、ＭＳ→ＲＳ Ｚｏｎｅに、端末２から無線中継局３へのレスポンス信号ＵＬ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ＲＳ、ＭＳ→ＢＳ Ｚｏｎｅに、端末２へのバースト信号ＭＳ＃２ ｂｕｒｓｔ、ＲＳ→ＢＳ Ｚｏｎｅに、無線中継局３から無線基地局１へのバースト信号ＲＳ ｂｕｒｓｔを送信した状態を示す。

図４は、図３に示すフレーム内容を、無線基地局（ＢＳ）と、端末ＭＳ＃２と、無線中継局ＲＳと、端末ＭＳ＃１とに於けるそれぞれの送信Ｔｘと、受信Ｒｘとを分けて示すものである。以下無線基地局をＢＳ、無線中継局をＲＳ、端末をＭＳ＃１，ＭＳ＃２として説明する。ＢＳは、切替回路ＳＷ２（図１参照）をＲＦ回路１１と送信回路１７とを接続するように切替えて、アレーアンテナ１０をオムニアンテナ特性として、ＤＬサブフレームにより制御情報（報知情報）（ＤＬ ｃｏｎｔｒｏｌ）を送信する。ＲＳは、切替回路ＳＷ３によりＲＦ回路３１と下りリンク処理部３２の受信回路３４−１との間を接続し、フレーム分離回路３６−１により制御情報（下り）を分離し、その制御情報（下り）をそのまま又は必要に応じて制御情報変換回路３８−１により変換して、フレーム生成回路３７−１によりフレームを形成し、送信タイミングに切替回路ＳＷ３を送信回路３５−１とＲＦ回路３１との間を接続して、制御情報を送信する。即ち、制御情報を受信したＲＳは、ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳ＃１に対してＢＳの制御情報を送信する（ＤＬ ｃｏｔｒｏｌ ｆｏｒ ＭＳ＃１）。この制御情報はＢＳから伝送されたものをそのまま転送するか、或いは、ＲＳで制御したい情報のみ前述のように制御情報変換回路３８−１により抽出し加工して伝送することも可能である。

ＭＳ＃１は、ＲＳからの制御情報を受信して、ＲＳに対して応答情報を送信する（ＵＬ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ＲＳ）。この時、ＭＳ＃１は、ＲＳの存在を知っていてもよいし、知らなくてもよい。後者の場合はＲＳをＢＳと思って応答することを意味する。ＭＳ＃１からの応答情報を受信したＲＳは、上りリンク処理部３３（図１参照）により処理して、ＢＳに対して、ＭＳ＃１の存在を知らせるべく上りリンクの経路で、応答情報を送信する。ここで、ＲＳは、ＢＳに対してＭＳ＃１と直接通信する為には、アダプティブアレーアンテナ特性によるビーム形成が必要であることも合わせて通知する。即ち、ＭＳ＃１は、通常サービスエリアａ内ではなく、ＡＡＳ拡張エリアｂに相当するＲＳカバーエリアｃ内に存在することを通知する。それにより、ＢＳは、ＭＳ＃１に対して、アダプティブアレーアンテナ特性に切替えてＲＳ方向のビーム形成を行い、通信を開始する。即ち、ＢＳは、ＭＳ＃１への送信タイミングに於いて切替回路ＳＷ２により送信回路１７と下りビームフォーミング回路１５とを接続し、ＢＳは、ＲＳの位置を最初から認識しているので、ＭＳ＃１が位置するＲＳ方向へのビーム形成を行う。即ち、切替回路ＳＷ１，ＳＷ２を送受信タイミングに従って上りビームフォーミング回路１４と下りビームフォーミング回路１５との機能によってビーム形成による送受信を行う。尚、ＢＳの判断によりＭＳ＃１に対してビーム形成を行わずに、引き続きＲＳを介したＭＳ＃１との間の通信を行う制御を適用することも可能である。

又ＭＳ＃１に対するアダプティブアレーアンテナ特性に切替えてビーム形成を行う判断を、ＢＳの判断機能として実現するのではなく、ＲＳからＢＳへの応答情報（ＵＬ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ＢＳ（ＭＳ＃１））の中の要求情報によって通知するＲＳの判断機能により実行することも可能である。この場合、ＢＳは、ＲＳからの要求情報に対する許可・拒絶応答を次のフレームでＲＳに伝送するか、又応答せずにビーム形成を行って、直接ＭＳ＃１に送信する（許可）か、若しくはＭＳ＃１のデータを格納する（拒否）かしてもよい。

又ＭＳ＃２は、通常サービスエリアａ内に位置しているので、ＢＳは、ＭＳ＃２に対する送受信タイミングでは、切替回路ＳＷ１，ＳＷ２（図１参照）により送信回路１６及び受信回路１７をＲＦ回路１１に接続するように切替えて、オムニアンテナ特性で、ＭＳ＃２との間の送受信処理を行うことになる。

図５は、本発明の実施例２の説明図であり、ＢＳのオムニアンテナ特性による通常サービスエリアａと、アダプティブアレーアンテナ特性により拡張された領域のＡＡＳ拡張エリアｂと、ＲＳのサービスエリアであるＲＳカバーエリアｃとについては、前述の図２に示す場合と同一であり、且つＢＳとＲＳとＭＳとの構成は、前述の図１に示すものと同一構成を適用するものである。ＭＳ＃１がＲＳカバーエリアｃに位置していることを、ＲＳを介した応答情報によりＢＳが認識できたことにより、ＢＳは、ビームをＲＳ方向に向ける制御を行うが、そのビーム方向の最適化を図ることが要望される。その為に、ＢＳは、ＲＳカバーエリアｃの全体をカバーするように、ビームをスキャンさせる。それによるＭＳ＃１の受信状態、例えば、ＳＩＮＲ測定手段による測定結果を、ＢＳ／ＲＳ／ＭＳ＃１の中継リンクによる制御情報により、ＢＳに通知する。ＢＳは、ＭＳ＃１の受信状態が最高となるビーム方向を認識できるから、アダプティブアレーアンテナ特性によるＭＳ＃１に対するビーム方向を決定できることになる。従って、ＲＳカバーエリアｃが比較的広い場合でも、ＢＳからのビーム方向を迅速に最適化して、ＭＳとの間のユーザデータの送受信が可能となる。

又ＭＳの位置情報（例えば、ＧＰＳによる位置測定情報）を、上りリンクの応答情報を用いてＢＳに通知できる場合は、ＢＳの前述のビームスキャンを行うことなく、ＭＳに対するビーム方向を迅速に制御することができる。なお、この場合も、前述のように、受信品質情報を測定してＢＳに上りリンクの応答情報として通知すれば、ＭＳに於ける受信品質の更なる向上を図ることができる。

図６は、ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳとの通信形態を示すもので、ＭＳのネットワークエントリ後の制御情報とユーザデータとの通信形態を方式１〜３として示し、方式１は、制御情報とユーザデータとをビーム形成によりＢＳ／ＭＳとして示すように、ＲＳを介することなく通信する方式であり、又方式２は、制御情報は、ＲＳを介したＢＳ／ＲＳ／ＭＳ、ユーザデータは、ビーム形成によるＢＳ／ＭＳ、又方式３は、制御情報は、方式２と同様なＲＳを介したＢＳ／ＲＳ／ＭＳ、ユーザデータもＲＳを介したＢＳ／ＲＳ／ＭＳとして示す通信形態である。

ＲＳは、ＢＳのフレームフォーマット内のタイムスロットを利用してＢＳとＲＳとの間及びＲＳとＭＳ＃１との間のリンクで通信する以上、ＢＳ以上のユーザ収容能力は得られないことになる。又図２と図３とに示すフレームフォーマットに於いては、ＲＳの収容能力を上げれば上げるほど、ＢＳに接続できるＭＳ数（ユーザ数）を低下させることになる。更に、ＲＳを介した中継リンクは、前述の二つのリンク（タイムスロット）を占有してしまう為、伝送効率の大幅な低下は否めないことになる。そこで、システム全体のスループットを維持する為に、ＲＳのユーザ収容能力は予めサービスプロバイダにより設定するか、若しくは、ＢＳ／ＲＳ間に於いて、ＲＳが、予めそのＲＳの収容能力をＢＳに通知することが考えられる。コアネットワークに接続されているＢＳは、ＲＳの収容能力、つまり無線リソース（帯域）を超えたユーザ（ＭＳ）が、ＲＳを介して制御情報を用いたネットワークエントリをしてきた場合に、ビーム形成を行うことにより、ＲＳを介することなく、ＢＳとＭＳとを接続して、ユーザデータをＢＳとＭＳとの間のタイムスロットに格納することができる。一般に制御情報は、ユーザデータ情報に較べて低レートである為、ＢＳは、ＲＳカバーエリアｃ内端末（ＭＳ＃１）の制御／データの通信方式の中からシステムスループットが最大になる方式を選択する。この場合、ネットワークエントリ後に於いて、ＢＳ／ＭＳ直接リンク（ＢＳ／ＭＳ）と中継リンク通信（ＢＳ／ＲＳ／ＭＳ）との選択を行うことになる。なお、本処理は、ＢＳ／ＲＳ間の無線リソース分担である為、ＲＳカバーエリアｃ内端末（ＭＳ＃１）がＢＳの制御情報を直接受信可能であっても適用できる。

図７は、本発明の実施例３の説明図であり、ＢＳのオムニアンテナ特性による通常サービスエリアａと、アダプティブアレーアンテナ特性により拡張された領域のＡＡＳ拡張エリアｂと、ＲＳのサービスエリアのＲＳカバーエリアｃとについては、前述の図２に示す場合と同一であり、且つＢＳとＲＳとＭＳとの構成は、前述の図１に示すものと同一構成を適用するものである。ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳ＃１が、前述の図６の方式３（ＢＳ／ＲＳ／ＭＳ）の通信形態に従った通信を行っている時、即ち、点線矢印の制御／データとして示すように、制御情報とユーザデータとをＲＳを介して送受信している時に、ＲＳカバーエリアｃ外のＡＡＳ拡張エリアｂへＭＳ＃１が移動する場合、方式１（ＢＳ／ＭＳ（ビーム形成））の通信形態に切替える必要がある。この場合、ＢＳに於いて受信品質のモニタリングを行うことは、ＢＳとＲＳとの間の情報量が増大することになる。

そこで、ＲＳに於いて、ＲＳとＭＳ＃１との間のリンクを用いて受信品質モニタリングを行い、受信品質の所定値以下の低下によりハンドオーバと判定した時に、ＢＳとＲＳとの間のリンクを用いて、ＲＳからＢＳに対し、ビーム形成を含むハンドオーバ要求を送信することにより、ＢＳとＲＳとの間の伝送制御情報量の増大を抑制すると共に、ＢＳに於けるビーム形成の準備期間を与えることができる。

図８は、本発明の実施例４の説明図であり、通常サービスエリアａとＡＡＳ拡張エリアｂとを形成したＢＳと、そのＡＡＳ拡張エリアｂに配置した複数のＲＳ＃１，ＲＳ＃２とを備えた無線通信システムに於いて、ＲＳ＃１，ＲＳ＃２はそれぞれアダプティブアレーアンテナ特性によりビームを形成して送受信する構成を有し、ＲＳカバーエリアｃ内のＭＳ＃１，ＭＳ＃２に対してもビーム形成が可能の構成とし、又ＢＳは、複数のＲＳ＃１，ＲＳ＃２に対して空間分割多元接続（ＳＤＭＡ；Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ Ａｃｃｅｓｓ）を行う構成とした場合を示す。なお、図１に示すＢＳ，ＲＳ，ＭＳのそれぞれの構成を有するものであるが、ＲＳ＃１，ＲＳ＃２は、それぞれＢＳと同様な上りリンク用及び下りリンク用のビームフォーミング回路を設け、アンテナはアレーアンテナの構成とする。

ＢＳは、ＳＤＭＡ方式を適用することにより、ＲＳ＃１，ＲＳ＃２対応の時分割処理や周波数分割処理を行うことなく、空間分割により、それぞれ同時に送受信を行うことが可能となる。又ＢＳとＲＳ＃１，ＲＳ＃２とがそれぞれビームを形成することにより、ＢＳは送信電力を低減することが可能となる。又ＲＳ＃１がＭＳ＃１との間のリンクにビームを形成することにより、ユーザデータを伝送するＢＳ／ＭＳ＃１間リンクと、制御情報を伝送するＢＳ／ＲＳ＃１／ＭＳ＃１間リンクとを独立して形成することができる。又ＲＳ＃２とＭＳ＃２とについても同様であり、この空間分割多重（ＳＤＭ；Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）技術の適用により、伝送レートを向上することが可能となる。

図９は、本発明の実施例５の説明図であり、ＢＳは通常サービスエリアａとＡＡＳ拡張エリアｂと、複数のＲＳ＃１，ＲＳ＃２，ＲＳ＃３のＲＳカバーエリアｃ１，ｃ２，ｃ３と、ＭＳ＃１，ＭＳ＃２とを示し、複数のＲＳ＃１，ＲＳ＃２，ＲＳ＃３は、それぞれビーム形成が可能の構成とする。ＭＳ＃２は、ＲＳ＃１のＲＳカバーエリアｃ１内に位置し、ＭＳ＃１は、ＲＳ＃３のＲＳカバーエリアｃ３に移動して、ＢＳ／ＲＳ＃１／ＲＳ＃２／ＲＳ＃３／ＭＳ＃１のリンクにより通信する場合、複数のＲＳを介することによる処理時間の累積により、スループット低下となる。そこで、ＲＳのビーム形成機能により、ＲＳ＃３は、ＢＳとの間のリンクを形成し、マルチホップスキップ方式の適用により、１ホップ通信が可能となる。なお、図示の状態に於いて、ＲＳカバーエリアｃ３はオムニアンテナ特性によるサービス半径として示し、ビーム形成によるＡＡＳ−ＲＳカバーエリアは、ＢＳのＡＡＳ拡張エリアｂとにより、ＢＳとＲＳ＃３との間でリンク形成が可能であることを前提としている。

本発明の実施例１の説明図である。 本発明の実施例１のサービスエリアの説明図である。 本発明の実施例１のフレームフォーマットの説明図である。 本発明の実施例１の送受信フレームの説明図である。 本発明の実施例２の説明図である。 ＲＳカバーエリア内の端末との通信形態の説明図である。 本発明の実施例３の説明図である。 本発明の実施例４の説明図である。 本発明の実施例５の説明図である

符号の説明

１ 無線基地局（ＢＳ）
２ 端末（ＭＳ）
３ 無線中継局（ＲＳ）
１０ アレーアンテナ
１１ ＲＦ（高周波）回路
１２ 受信処理部
１３ 送信処理部
１４ 上りビームフォーミング回路
１５ 下りビームフォーミング回路
１６ 受信回路
１７ 送信回路
１８ フレーム分離回路
１９ フレーム生成回路
２０ アンテナ
２１ ＲＦ（高周波）回路
２２ 受信処理部
２３ 送信処理部
３０ アンテナ
３１ ＲＦ（高周波）回路
３２ 下りリンク処理部
３３ 上りリンク処理部

Claims (9)

1. 無線基地局と無線中継局とを有し、端末は、前記無線基地局との間又は前記無線基地局と前記無線中継局との間のリンクにより無線通信を行う無線通信システムに於いて、
   前記無線基地局は、無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とのアンテナ特性切替手段と、前記無指向性アンテナ特性による通常サービスエリアの外側の前記アダプティブアレーアンテナ特性による拡張サービスエリア内又は前記無線中継局のサービスエリア内の前記端末に対して、前記アンテナ特性切替手段により前記アダプティブアレーアンテナ特性に切替えて前記端末にビームを向ける制御手段と
   を備えたことを特徴とする無線通信システム。
2. 前記無線中継局は、前記無線基地局と前記端末との間の制御情報を、通信状況に対応して変換して中継する制御情報変換回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
3. 前記無線中継局は、アダプティブアレーアンテナ特性により少なくとも前記端末の方向にビームを向ける手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
4. 無指向性アンテナ特性とビームを形成するアダプティブアレーアンテナ特性とを切替える手段を含む無線基地局と、該無線基地局と端末との間を無線中継する無線中継局とを有し、前記無線基地局と端末との間の無線通信を行う無線通信制御方法に於いて、
   前記無線基地局は、前記無線中継局を介した前記端末からの制御情報受信により、前記アダプティブアレーアンテナ特性により前記端末に対するビームを形成して、前記無線基地局と前記端末との間の通信を行う過程を含む
   ことを特徴とする無線通信制御方法
5. 前記無線基地局は、前記無線中継局のサービスエリア内のビームのスキャンによる前記端末の通信品質情報を前記無線中継局を介して受信し、前記通信品質が良くなる方向に前記ビームを向ける制御を行う過程を含むことを特徴とする請求項４記載の無線通信制御方法。
6. 前記無線基地局は、前記端末との間で無線通信するか、該端末と前記無線中継局を介して無線通信するかを前記無線中継局の収容能力に応じて選択制御する過程を含むことを特徴とする請求項４又は５記載の無線通信制御方法。
7. 前記無線中継局は、前記端末の通信品質情報が所定値以下に低下したことを基に前記無線基地局に対してハンドオーバの開始を通知する過程を含むことを特徴とする請求項４記載の無線通信制御方法。
8. 前記無線基地局の前記アダプティブアレーアンテナ特性によるビームと複数の前記無線中継局の前記アダプティブアレーアンテナ特性によるビームとにより空間分割多重通信を行う過程を含むことを特徴とする請求項４記載の無線通信制御方法。
9. 複数の前記無線中継局を介して前記無線基地局と前記端末との間の無線中継通信を、前記無線基地局と前記端末がサービスエリア内に存在する前記無線中継局との間を、ビーム形成により直接的に無線通信するように切替える過程を含むことを特徴とする請求項４記載の無線通信制御方法。

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