JP2014147113A - フェムトセル基地局、モバイルネットワークシステムおよび移動局、ならびにフェムトセル基地局の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施の容易なメカニズムを使用することにより、近隣のフェムトセルおよびマクロセルとの干渉ならびに消費電力が大幅に低減されるような改良およびさらなる展開を行う。
【解決手段】フェムトセル基地局が通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に低負荷動作モードに入り、低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＷｉＭＡＸフェムトセル基地局の動作方法に関する。前記フェムトセル基地局はアクティブ動作モードを有し、該アクティブ動作モードにおいて、前記フェムトセル基地局の無線インタフェースサブシステムは完全に電源供給される。

また、本発明は、ＷｉＭＡＸネットワークに配備するためのフェムトセル基地局に関する。前記フェムトセル基地局はアクティブ動作モードを有し、該アクティブ動作モードにおいて、前記フェムトセル基地局の無線インタフェースサブシステムは完全に電源供給される。

現在、モバイルネットワーク事業者は、事業者の顧客の宅内に設置されるようないわゆるフェムトセル（ホーム基地局、ホームＢＴＳ、ピコセル、ホームＮＢ、フェムトセルアクセスポイント（femtocell access point, ＦＡＰ）、あるいはフェムト無線基地局とも呼ばれる）を配備することに関心を示している（非特許文献１を参照）。このようなフェムトセルは、事業者ネットワークの末端にある低電力のモバイル基地局であり、現在は３Ｇおよび４Ｇの両方のネットワークに対して開発され標準化されている。フェムトセルＢＳの設置は通常、技術的訓練を受けていない顧客自身によって扱われるので、簡単なプラグアンドプレイ手順とする必要がある。フェムトセル基地局は、通常のブロードバンドインターネットコネクションに接続され、無線インタフェースは、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、ＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunications System）あるいは３ＧＰＰ ＬＴＥ（Long Term Evolution）のような広域セルラネットワーク標準に基づいている。

フェムトセルを導入する１つの理由は、ユーザエクスペリエンスを向上させるために事業者ネットワークのカバレジを拡大し、それにより、固定電話と携帯電話の融合（fixed-mobile convergence）へ大きく前進することである。Ｗｉ−Ｆｉアクセスポイントと同様に、フェムトセルは、それぞれのエリアにおいて良好なカバレジを提供するために、家庭およびオフィス環境に配備されるように設計され、人口やオフィスの密度が高いエリアでは高い配備密度となることが期待される。しかし、フェムトセルの配備にはいくつかの欠点が伴う。その１つは、ネットワークのマクロレベルとフェムトレベルとの間の干渉効果である。フェムトセル基地局は、事業者の広域ネットワークと同じ認可周波数帯において配備されることが多いので、他の基地局と干渉しないように正しく無線インタフェースを設定することが重要である。

本発明は、主に、ＷｉＭＡＸおよびＩＥＥＥ８０２．１６標準に基づくフェムトセルに関する。ＷｉＭＡＸは World Wide Interoperability for Microwave Access の略で、ＩＥＥＥ８０２．１６の標準ファミリに基づいている。ＷｉＭＡＸ通信ネットワークでデータ送信のために使用される技術はＯＦＤＭＡ（直交周波数分割多元接続）と呼ばれる。ＯＦＤＭＡは、多数の密集した直交サブキャリアの使用に基づく。ＯＦＤＭＡフレーム構造体は、周波数領域ではサブキャリアによって、そして時間領域ではシンボルによって分割される。ユーザには、データを送受信する際に、「バースト」と呼ばれる２次元（時間領域および周波数領域）の割当が配分される。ＷｉＭＡＸは、フレームが同時に送信されなければならない時間同期通信技術である。

Airvana whitepaper, "Femtocells: Transforming The Indoor Experience"（フェムトセル：屋内エクスペリエンスの転換）

本発明の目的は、頭書のようなＷｉＭＡＸフェムトセル基地局の動作方法およびフェムトセル基地局において、実施の容易なメカニズムを使用することにより、近隣のフェムトセルおよびマクロセルとの干渉ならびに消費電力が大幅に低減されるような改良およびさらなる展開を行うことである。

本発明によれば、上記の目的は、請求項１の構成を備えたフェムトセル基地局によって達成される。この請求項に記載の通り、本フェムトセル基地局は、以下のことを特徴とする。すなわち、通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に低負荷動作モードに入り、低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有する。

また、上記の目的は、独立請求項７の構成を備えた方法によって達成される。この請求項に記載の通り、本方法は、以下のことを特徴とする。すなわち、フェムトセル基地局が、通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に、フェムトセル基地局が前記低負荷動作モードに入り、低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有する。

本発明によって認識されたこととして、フェムトセル基地局の近傍にある他の基地局との干渉は、無線インタフェースアクティビティを低減させた省電力モードを設けることによって大幅に低減することができる。フェムトセル基地局（femtocell base station, 以下ＦＣＢＳと略記することがある）の側からのアクションが不要な場合、そのデフォルトのアクティブ動作モード（これは通常の動作モードである）から省電力モードに切り替えることにより、無線リンクの負荷ならびに隣接するフェムトセルおよび共存するマクロセルやアンブレラセルへの干渉を大幅に低減することができる。無線インタフェースアクティビティの低減により、省電力モードは、低負荷動作モードとみなすことができ、またそのように称される。

ＩＥＥＥ８０２．１６のような現在のセルラシステム標準において、省電力はＷｉＭＡＸ移動局（ＭＳ）のみについて考慮されている。本発明による方法は、これに加えて、フェムトセル基地局に省電力モードを組み込む。これは従来は全く考慮されてこなかったものである。上記の干渉低減のほかに、ＦＣＢＳに対する省電力モードの利点は多岐にわたる。ここで注意すべき重要なことであるが、ＦＣＢＳは、顧客自身によって設置されることが求められ、顧客の宅内に配置される装置である。すなわち、エネルギー消費および電界放射のような側面は、例えば、環境にやさしい無線技術（green radio）を考える際に重要な要素であり、製品が受け入れられるかどうかにも影響し得る。省電力モードにおけるＦＣＢＳは、消費電力が少なくなるだけでなく、無線インタフェースアクティビティの低減により、電磁波の放射も少なくなり、平均のＥＩＲＰ（equivalent isotropically radiated power, 等価等方放射電力）が低減される。その結果、本発明によるＦＣＢＳの配備は、例えば病院のように、放射が低いことが要求される環境において特に有利であることがわかる。

本発明はおおむね標準的な手順に基づいて構成することができるので、既存の製品に対する変更は最小限であり、既存の製品との非互換性もきわめて生じにくい。

好ましい実施形態によれば、フェムトセル基地局は、移動局がＦＣＢＳに接続されていない場合、または、すべての接続移動局がアイドルモードまたはスリープモードにある場合に、省電力モードに入るものとしてもよい。さらに、例えばネットワーク制御の負荷分散によって、すべてのアクティブな移動局がマクロセル基地局に切り替えるよう要求された場合に、アクティブモードから省電力モードへの遷移を適用してもよい。ＦＣＢＳは、接続移動局がアクティブ／スキャンモードにある場合には、省電力モードに入らなくてもよい。いずれの場合でも、省電力モードに入った後、ＦＣＢＳは、接続移動局との時間同期を保証しなければならない。

有利な態様として、省電力モードにおいて、フェムトセル基地局は、設定可能な数の省電力ウィンドウを反復するものとしてもよい。省電力ウィンドウの数は、フェムトセルの事業者またはベンダによって規定されてもよく、あるいは、上位層によってシグナリング制御されてもよい。例えば、省電力ウィンドウの数を一定数に規定してもよく、あるいは、ある特定の条件が満たされるまで「無限個」としてもよい。省電力ウィンドウの長さは、所望の粒度に応じて、フレーム単位またはスーパーフレーム単位（ＷｉＭＡＸでは、スーパーフレームは４フレームに対応する）で計数することが可能である。

好ましい実施形態によれば、それぞれの省電力ウィンドウは、省電力フレーム／期間（ＩＥＥＥ８０２．１６ｍ／Ｄ２では「使用不可期間（unavailable interval）」とも呼ばれる）および同期フレーム／期間（ＩＥＥＥ８０２．１６ｍ／Ｄ２では「使用可能期間（available interval）」とも呼ばれる）を有し、それぞれフレーム単位またはスーパーフレーム単位で計数される。使用不可期間中には、無線アクティビティは全くない。すなわち、ＦＣＢＳは無線インタフェースで信号を送信しない。使用可能期間中に、ＦＣＢＳは、通常のＦＣＢＳのように動作し、通常のアクティブ動作モードにあるＦＣＢＳが行うすべての種類のアクティビティを実行する。とりわけ、使用可能期間は、接続移動局との同期のために使用可能である。また、使用可能期間は、ＦＣＢＳが、同期フレームを送信して、接続移動局にアップリンク送信機会を割り当てるために使用可能である。

注意すべき重要なことであるが、接続移動局の通常の動作が影響を受けないように、ＦＣＢＳ使用不可期間は使用可能期間と交互配置される。これは、ＦＣＢＳ使用可能期間が、スリープモードにある接続移動局のすべての使用可能期間の重ね合わせと一致するとともに、ＦＣＢＳ使用可能期間が、アイドルモードにある移動局のページングサイクルもカバーすることを想定する。また、使用可能期間および使用不可期間の設定可能な系列が、事業者によって設定されることが可能である。これにより、ＦＣＢＳは、保証された時間間隔で使用可能となる。これらの期間は、ＦＣＢＳが、そのカバレジエリア内に位置する非接続移動局との同期を可能にするために使用することもできる。例えば、これは、移動局のスキャンおよびネットワーク加入を可能にするために使用してもよい。

好ましい実施形態によれば、上記の使用不可期間中に、ＦＣＢＳは、無線インタフェースサブシステムを完全にオフに切り替えて動作してもよい。このような実施態様により、省エネルギーおよび電界放射低減が最大化される。

別の実施形態によれば、フェムトセル基地局の無線インタフェースサブシステムは、使用不可期間中もオンにされるが、フェムトセル基地局は、設定可能な数のフレームの送信を省略するように設定されるものとしてもよい。これらのフレームは、フレームヘッダ情報を含んでもよい。例えば、フェムトセル基地局が（通常動作モードにおける動作とは異なり）４個ごとのスーパーフレームのみを送信するような設定を選択してもよい。

省電力モードからアクティブモードへの遷移（「ウェイクアップ」）に関して、相異なる状況を区別すると有利であることがわかる。例えば、ＦＣＢＳに接続されたスリープモードにある移動局あるいはアイドルモードにある移動局の場合、フェムトセル基地局は、その移動局からシグナリングメッセージを受信した後にウェイクアップするものとしてもよい。例えば、移動局は、ＦＣＢＳに対してイベント駆動メッセージをシグナリングしてもよい。これは、例えば、帯域要求に類似したレンジングコード（ranging code）である。この場合、ＦＣＢＳは、アクティブ／通常動作モードに入った後、移動局に対して、同様にアクティブ／通常動作モードに入らせるためのシグナリングを行うように設定されてもよい。

別の状況として、アクティブモードにある移動局がＦＣＢＳに接続されておらず、ＦＣＢＳのカバレジエリアに入って来る場合がある。この場合、ＦＣＢＳは、入って来る移動局のアップリンク受信信号電力（uplink received signal power, ＵＲＳＰ）をそのまま用いて、すなわち信号内容を復号せずに、アクティブモードに入るかどうかを決定してもよい。特定の実施態様によれば、しきい値を指定し、測定されたＵＲＳＰがそのしきい値を超える場合にＦＣＢＳのウェイクアップを実行してもよい。この場合、移動局は、ＦＣＢＳがその移動局にサービス可能な程度に近いと仮定される。省電力モードからアクティブモードへのＦＣＢＳの遷移後、移動局は、スキャンモード中にＦＣＢＳを検出することができる。

さらに別の状況として、アイドルモードにある移動局がＦＣＢＳに接続されておらず、ＦＣＢＳのカバレジエリアに入って来る場合がある。この場合、まずＦＣＢＳは、移動局と接続マクロセル基地局との間のメッセージ交換があるまで、省電力モードにとどまり続けるものとしてもよい。そのようなメッセージ交換の後、ＦＣＢＳは、移動局のＵＲＳＰを測定し、上記のように、ウェイクアップするかどうかを決定することができる。

本発明を好適な態様で実施するにはいくつもの可能性がある。このためには、請求項１に従属する諸請求項を参照しつつ、図面により例示された本発明の好ましい実施形態についての以下の説明を参照されたい。図面を用いて本発明の好ましい実施形態を説明する際には、本発明の教示による好ましい実施形態一般およびその変形例について説明する。

本発明の実施形態による省電力モードにあるフェムトセル基地局の動作方式を例示する図である。 接続移動局がスリープモードまたはアイドルモードにある場合のウェイクアップ手順を例示する流れ図である。 非接続移動局がスリープモードまたはアクティブモードにある場合のウェイクアップ手順を例示する流れ図である。

図１は、フェムトセル基地局ＦＣＢＳの省電力モードの実施形態を例示している。ＦＣＢＳがアクティブモードから省電力モードに遷移した場合、使用可能期間（省電力フレームとして図示）と使用不可期間（アクティブフレームとして図示）を交互に含む系列を反復する。これらの期間の各ペアが省電力ウィンドウを構成する。省電力モードに入った後、ＦＣＢＳは、ＦＣＢＳおよび接続ＭＳの使用不可期間および使用可能期間とスリープウィンドウおよびリスンウィンドウとが一致することを保証しなければならない。図１からわかるように、ダウンリンク制御情報を伝送する使用可能期間すなわちアクティブフレームと、移動局ＭＳのリスン／アクティブウィンドウとが一致するように、使用可能期間および使用不可期間が同期される。これは、スリープモードにある移動局ＭＳおよびアイドルモードにある移動局ＭＳの両方に当てはまる。

なお、ＦＣＢＳの使用可能期間は、アップリンク送信機会を接続ＭＳに通知するために使用可能な同期フレームを含んでもよい。この目的のため、ＭＳは、リソースを割り当ててもらうために、専用の周波数および時間レンジ要求をＦＣＢＳに送信してもよい。別法として、ＭＳは、ＵＬ（uplink, アップリンク）ＭＡＣフレーム内のＣＤＭＡ（符号分割多元接続）のレンジングコードのような、専用のアップリンク信号を送信してもよい。ＭＳは、ＵＬ ＭＡＣフレーム内のレンジングコードを特定の周波数・時間レンジに配置してもよい。この周波数・時間レンジは、例えば事業者によって事前に規定されてもよい。

図２は、接続ＭＳがスリープモードにある場合またはＭＳがアイドルである場合のＦＣＢＳのウェイクアップ手順の実施形態を例示する流れ図である。接続状態において、例えば認証，認可等に関するＦＣＢＳとＭＳとの間の情報交換は、既に実行済みである。省電力モードにあるＦＣＢＳは、接続ＭＳからのイベント駆動メッセージをリスンする。例えば、ＭＳからＦＣＢＳへの特別のレンジングコードのような専用の信号タイプが、このようなイベント駆動メッセージを構成してもよい。ＦＣＢＳは、メッセージを分析してウェイクアップするかどうかを決定する決定手段を備える。接続ＭＳから受信されたメッセージが、指定されたウェイクアップ基準に合格する場合、ＦＣＢＳは、省電力モードからアクティブ動作モードへの遷移を実行する。そうでない場合、ＦＣＢＳは、次の省電力ウィンドウを反復する。

図３は、非接続移動局がスリープモードまたはアクティブモードにある場合のウェイクアッププロセスの実施形態を例示する流れ図である。非接続状態においては、ＦＣＢＳとＭＳとの間に情報交換はなされていない。省電力モードにあるＦＣＢＳは、ＦＣＢＳのカバレジエリアに入って来る移動局のＵＲＳＰ（アップリンク受信信号電力）等のメトリックの測定を実行する。このような測定は、定期的に実行することができ、その周期は例えばベンダによって設定されてもよい。図３に例示した構成によれば、ＦＣＢＳは、ＵＲＳＰに対するしきい値を設定している。ＭＳに対して測定されたＵＲＳＰが指定しきい値を超える場合、ウェイクアップ基準が満たされ、ＦＣＢＳは省電力モードからアクティブモードへの遷移を実行する。そうでない場合、ＦＣＢＳは省電力モードにとどまり続け、次の省電力ウィンドウに入る。

上記の説明および添付図面の記載に基づいて、当業者は本発明の多くの変形例および他の実施形態に想到し得るであろう。したがって、本発明は、開示した具体的実施形態に限定されるものではなく、変形例および他の実施形態も、添付の特許請求の範囲内に含まれるものと解すべきである。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは総称的・説明的意味でのみ用いられており、限定を目的としたものではない。

Claims (8)

1. フェムトセル基地局であって、
   通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、
   前記フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に前記低負荷動作モードに入り、
   前記低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有することを特徴とするフェムトセル基地局。
2. 前記低負荷動作モードにおいて、前記使用可能期間および前記使用不可期間を交互に行うシーケンスを反復することを特徴する請求項１に記載のフェムトセル基地局。
3. フェムトセル基地局および複数の移動局を有するモバイルネットワークシステムであって、
   前記フェムトセル基地局は通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、
   前記フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に、前記フェムトセル基地局が前記低負荷動作モードに入り、
   前記低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有することを特徴とするモバイルネットワークシステム。
4. 前記低負荷動作モードが前記フェムトセル基地局は前記使用可能期間および前記使用不可期間を交互に行うシーケンスを反復することを特徴する請求項３に記載のモバイルネットワークシステム。
5. フェムトセル基地局を有するモバイルネットワークシステムにおける移動局であって、
   前記フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に、前記フェムトセル基地局が無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードに入り、
   前記低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有することを特徴とする移動局。
6. 前記低負荷動作モードが前記使用可能期間および前記使用不可期間を交互に行うシーケンスを反復することを特徴する請求項５に記載の移動局。
7. フェムトセル基地局の動作方法であって、
   前記フェムトセル基地局が、通常動作モードと無線インタフェースアクティビティを低減させた低負荷動作モードとの間で遷移可能であり、
   前記フェムトセル基地局に接続された移動局が存在しない場合に、前記フェムトセル基地局が前記低負荷動作モードに入り、
   前記低負荷動作モードが使用可能期間および使用不可期間を有することを特徴とするフェムトセル基地局の動作方法。
8. 前記低負荷動作モードにおいて、前記使用可能期間および前記使用不可期間を交互に行うシーケンスを反復することを特徴する請求項７に記載のフェムトセル基地局の動作方法。

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