JP2018011249A - 通信システム、基地局装置、通信端末装置および通信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる通信システムおよび通信方法、ならびに前記通信システムを構成する基地局装置および通信端末装置を提供する。【解決手段】通信システムにおいて、基地局１００１は、複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナ部１００２を用いて信号の送受信を行う。基地局１００１は、アレーアンテナ部１００２によって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成可能である。基地局１００１は、制御部１００３およびビーム幅選択部１００９によって、各通信端末から与えられるフィードバック情報に基づいて、各通信端末に対する送受信に用いる指向性ビームのビーム幅を制御する。【選択図】図１２

Description

本発明は、移動端末装置などの通信端末装置と基地局装置との間で無線通信を行う通信システムおよび通信方法、ならびに前記通信システムを構成する基地局装置および通信端末装置に関する。

移動体通信システムの規格化団体である３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）において、無線区間についてはロングタームエボリューション（Long Term Evolution：ＬＴＥ）と称し、コアネットワークおよび無線アクセスネットワーク（以下、まとめて、ネットワークとも称する）を含めたシステム全体構成については、システムアーキテクチャエボリューション（System Architecture Evolution：ＳＡＥ）と称される通信方式が検討されている（例えば、非特許文献１〜９参照）。この通信方式は３．９Ｇ（3.9 Generation）システムとも呼ばれる。

ＬＴＥのアクセス方式としては、下り方向はＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、上り方向はＳＣ−ＦＤＭＡ（Single Carrier Frequency Division Multiple Access）が用いられる。また、ＬＴＥは、Ｗ−ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）とは異なり、回線交換を含まず、パケット通信方式のみになる。

非特許文献１（５章）に記載される、３ＧＰＰでの、ＬＴＥシステムにおけるフレーム構成に関する決定事項について、図１を用いて説明する。図１は、ＬＴＥ方式の通信システムで使用される無線フレームの構成を示す説明図である。図１において、１つの無線フレーム（Radio frame）は１０ｍｓである。無線フレームは１０個の等しい大きさのサブフレーム（Subframe）に分割される。サブフレームは、２個の等しい大きさのスロット（slot）に分割される。無線フレーム毎に１番目および６番目のサブフレームに下り同期信号（Downlink Synchronization Signal）が含まれる。同期信号には、第一同期信号（Primary Synchronization Signal：Ｐ−ＳＳ）と、第二同期信号（Secondary Synchronization Signal：Ｓ−ＳＳ）とがある。

３ＧＰＰでの、ＬＴＥシステムにおけるチャネル構成に関する決定事項が、非特許文献１（５章）に記載されている。ＣＳＧ（Closed Subscriber Group）セルにおいてもｎｏｎ−ＣＳＧセルと同じチャネル構成が用いられると想定されている。

物理報知チャネル（Physical Broadcast Channel：ＰＢＣＨ）は、基地局装置（以下、単に「基地局」という場合がある）から移動端末装置（以下、単に「移動端末」という場合がある）などの通信端末装置（以下、単に「通信端末」という場合がある）への下り送信用のチャネルである。ＢＣＨトランスポートブロック（transport block）は、４０ｍｓ間隔中の４個のサブフレームにマッピングされる。４０ｍｓタイミングの明白なシグナリングはない。

物理制御フォーマットインジケータチャネル（Physical Control Format Indicator Channel：ＰＣＦＩＣＨ）は、基地局から通信端末への下り送信用のチャネルである。ＰＣＦＩＣＨは、ＰＤＣＣＨｓのために用いるＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）シンボルの数を、基地局から通信端末へ通知する。ＰＣＦＩＣＨは、サブフレーム毎に送信される。

物理下り制御チャネル（Physical Downlink Control Channel：ＰＤＣＣＨ）は、基地局から通信端末への下り送信用のチャネルである。ＰＤＣＣＨは、後述のトランスポートチャネルの１つである下り共有チャネル（Downlink Shared Channel：ＤＬ−ＳＣＨ）のリソース割り当て（allocation）情報、後述のトランスポートチャネルの１つであるページングチャネル（Paging Channel：ＰＣＨ）のリソース割り当て（allocation）情報、ＤＬ−ＳＣＨに関するＨＡＲＱ（Hybrid Automatic Repeat reQuest）情報を通知する。ＰＤＣＣＨは、上りスケジューリンググラント（Uplink Scheduling Grant）を運ぶ。ＰＤＣＣＨは、上り送信に対する応答信号であるＡｃｋ（Acknowledgement）／Ｎａｃｋ（Negative Acknowledgement）を運ぶ。ＰＤＣＣＨは、Ｌ１／Ｌ２制御信号とも呼ばれる。

物理下り共有チャネル（Physical Downlink Shared Channel：ＰＤＳＣＨ）は、基地局から通信端末への下り送信用のチャネルである。ＰＤＳＣＨには、トランスポートチャネルである下り共有チャネル（ＤＬ−ＳＣＨ）、およびトランスポートチャネルであるＰＣＨがマッピングされている。

物理マルチキャストチャネル（Physical Multicast Channel：ＰＭＣＨ）は、基地局から通信端末への下り送信用のチャネルである。ＰＭＣＨには、トランスポートチャネルであるマルチキャストチャネル（Multicast Channel：ＭＣＨ）がマッピングされている。

物理上り制御チャネル（Physical Uplink Control Channel：ＰＵＣＣＨ）は、通信端末から基地局への上り送信用のチャネルである。ＰＵＣＣＨは、下り送信に対する応答信号（response signal）であるＡｃｋ／Ｎａｃｋを運ぶ。ＰＵＣＣＨは、ＣＱＩ（Channel Quality Indicator）レポートを運ぶ。ＣＱＩとは、受信したデータの品質、もしくは通信路品質を示す品質情報である。またＰＵＣＣＨは、スケジューリングリクエスト（Scheduling Request：ＳＲ）を運ぶ。

物理上り共有チャネル（Physical Uplink Shared Channel：ＰＵＳＣＨ）は、通信端末から基地局への上り送信用のチャネルである。ＰＵＳＣＨには、トランスポートチャネルの１つである上り共有チャネル（Uplink Shared Channel：ＵＬ−ＳＣＨ）がマッピングされている。

物理ＨＡＲＱインジケータチャネル（Physical Hybrid ARQ Indicator Channel：ＰＨＩＣＨ）は、基地局から通信端末への下り送信用のチャネルである。ＰＨＩＣＨは、上り送信に対する応答信号であるＡｃｋ／Ｎａｃｋを運ぶ。物理ランダムアクセスチャネル（Physical Random Access Channel：ＰＲＡＣＨ）は、通信端末から基地局への上り送信用のチャネルである。ＰＲＡＣＨは、ランダムアクセスプリアンブル（random access preamble）を運ぶ。

下り参照信号（リファレンスシグナル（Reference Signal）：ＲＳ）は、ＬＴＥ方式の通信システムとして既知のシンボルである。以下の５種類の下りリファレンスシグナルが定義されている。セル固有参照信号（Cell-specific Reference Signal：ＣＲＳ）、ＭＢＳＦＮ参照信号（MBSFN Reference Signal）、ＵＥ固有参照信号（UE-specific Reference Signal）であるデータ復調用参照信号（Demodulation Reference Signal：ＤＭ−ＲＳ）、位置決定参照信号（Positioning Reference Signal：ＰＲＳ）、チャネル状態情報参照信号（Channel State Information Reference Signal：ＣＳＩ−ＲＳ）。通信端末の物理レイヤの測定として、リファレンスシグナルの受信電力（Reference Signal Received Power：ＲＳＲＰ）測定がある。

非特許文献１（５章）に記載されるトランスポートチャネル（Transport channel）について、説明する。下りトランスポートチャネルのうち、報知チャネル（Broadcast Channel：ＢＣＨ）は、その基地局（セル）のカバレッジ全体に報知される。ＢＣＨは、物理報知チャネル（ＰＢＣＨ）にマッピングされる。

下り共有チャネル（Downlink Shared Channel：ＤＬ−ＳＣＨ）には、ＨＡＲＱ（Hybrid ARQ）による再送制御が適用される。ＤＬ−ＳＣＨは、基地局（セル）のカバレッジ全体への報知が可能である。ＤＬ−ＳＣＨは、ダイナミックあるいは準静的（Semi-static）なリソース割り当てをサポートする。準静的なリソース割り当ては、パーシステントスケジューリング（Persistent Scheduling）ともいわれる。ＤＬ−ＳＣＨは、通信端末の低消費電力化のために通信端末の間欠受信（Discontinuous reception：ＤＲＸ）をサポートする。ＤＬ−ＳＣＨは、物理下り共有チャネル（ＰＤＳＣＨ）へマッピングされる。

ページングチャネル（Paging Channel：ＰＣＨ）は、通信端末の低消費電力を可能とするために通信端末のＤＲＸをサポートする。ＰＣＨは、基地局（セル）のカバレッジ全体への報知が要求される。ＰＣＨは、動的にトラフィックに利用できる物理下り共有チャネル（ＰＤＳＣＨ）のような物理リソースへマッピングされる。

マルチキャストチャネル（Multicast Channel：ＭＣＨ）は、基地局（セル）のカバレッジ全体への報知に使用される。ＭＣＨは、マルチセル送信におけるＭＢＭＳ（Multimedia Broadcast Multicast Service）サービス（ＭＴＣＨとＭＣＣＨ）のＳＦＮ合成をサポートする。ＭＣＨは、準静的なリソース割り当てをサポートする。ＭＣＨは、ＰＭＣＨへマッピングされる。

上りトランスポートチャネルのうち、上り共有チャネル（Uplink Shared Channel：ＵＬ−ＳＣＨ）には、ＨＡＲＱ（Hybrid ARQ）による再送制御が適用される。ＵＬ−ＳＣＨは、ダイナミックあるいは準静的（Semi-static）なリソース割り当てをサポートする。ＵＬ−ＳＣＨは、物理上り共有チャネル（ＰＵＳＣＨ）へマッピングされる。

ランダムアクセスチャネル（Random Access Channel：ＲＡＣＨ）は、制御情報に限られている。ＲＡＣＨは、衝突のリスクがある。ＲＡＣＨは、物理ランダムアクセスチャネル（ＰＲＡＣＨ）へマッピングされる。

ＨＡＲＱについて説明する。ＨＡＲＱとは、自動再送要求（Automatic Repeat reQuest：ＡＲＱ）と誤り訂正（Forward Error Correction）との組合せによって、伝送路の通信品質を向上させる技術である。ＨＡＲＱには、通信品質が変化する伝送路に対しても、再送によって誤り訂正が有効に機能するという利点がある。特に、再送にあたって初送の受信結果と再送の受信結果との合成をすることで、更なる品質向上を得ることも可能である。

再送の方法の一例を説明する。受信側にて、受信データが正しくデコードできなかった場合、換言すればＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）エラーが発生した場合（ＣＲＣ＝ＮＧ）、受信側から送信側へ「Ｎａｃｋ」を送信する。「Ｎａｃｋ」を受信した送信側は、データを再送する。受信側にて、受信データが正しくデコードできた場合、換言すればＣＲＣエラーが発生しない場合（ＣＲＣ＝ＯＫ）、受信側から送信側へ「Ａｃｋ」を送信する。「Ａｃｋ」を受信した送信側は次のデータを送信する。

非特許文献１（６章）に記載される論理チャネル（ロジカルチャネル：Logical channel）について、説明する。報知制御チャネル（Broadcast Control Channel：ＢＣＣＨ）は、報知システム制御情報のための下りチャネルである。論理チャネルであるＢＣＣＨは、トランスポートチャネルである報知チャネル（ＢＣＨ）、あるいは下り共有チャネル（ＤＬ−ＳＣＨ）へマッピングされる。

ページング制御チャネル（Paging Control Channel：ＰＣＣＨ）は、ページング情報（Paging Information）およびシステム情報（System Information）の変更を送信するための下りチャネルである。ＰＣＣＨは、通信端末のセルロケーションをネットワークが知らない場合に用いられる。論理チャネルであるＰＣＣＨは、トランスポートチャネルであるページングチャネル（ＰＣＨ）へマッピングされる。

共有制御チャネル（Common Control Channel：ＣＣＣＨ）は、通信端末と基地局との間の送信制御情報のためのチャネルである。ＣＣＣＨは、通信端末がネットワークとの間でＲＲＣ接続（connection）を有していない場合に用いられる。下り方向では、ＣＣＣＨは、トランスポートチャネルである下り共有チャネル（ＤＬ−ＳＣＨ）へマッピングされる。上り方向では、ＣＣＣＨは、トランスポートチャネルである上り共有チャネル（ＵＬ−ＳＣＨ）へマッピングされる。

マルチキャスト制御チャネル（Multicast Control Channel：ＭＣＣＨ）は、１対多の送信のための下りチャネルである。ＭＣＣＨは、ネットワークから通信端末への１つあるいはいくつかのＭＴＣＨ用のＭＢＭＳ制御情報の送信のために用いられる。ＭＣＣＨは、ＭＢＭＳ受信中の通信端末のみに用いられる。ＭＣＣＨは、トランスポートチャネルであるマルチキャストチャネル（ＭＣＨ）へマッピングされる。

個別制御チャネル（Dedicated Control Channel：ＤＣＣＨ）は、１対１にて、通信端末とネットワークとの間の個別制御情報を送信するチャネルである。ＤＣＣＨは、通信端末がＲＲＣ接続（connection）である場合に用いられる。ＤＣＣＨは、上りでは上り共有チャネル（ＵＬ−ＳＣＨ）へマッピングされ、下りでは下り共有チャネル（ＤＬ−ＳＣＨ）にマッピングされる。

個別トラフィックチャネル（Dedicated Traffic Channel：ＤＴＣＨ）は、ユーザ情報の送信のための個別通信端末への１対１通信のチャネルである。ＤＴＣＨは、上りおよび下りともに存在する。ＤＴＣＨは、上りでは上り共有チャネル（ＵＬ−ＳＣＨ）へマッピングされ、下りでは下り共有チャネル（ＤＬ−ＳＣＨ）へマッピングされる。

マルチキャストトラフィックチャネル（Multicast Traffic channel：ＭＴＣＨ）は、ネットワークから通信端末へのトラフィックデータ送信のための下りチャネルである。ＭＴＣＨは、ＭＢＭＳ受信中の通信端末のみに用いられるチャネルである。ＭＴＣＨは、マルチキャストチャネル（ＭＣＨ）へマッピングされる。

ＣＧＩとは、セルグローバル識別子（Cell Global Identifier）のことである。ＥＣＧＩとは、Ｅ−ＵＴＲＡＮセルグローバル識別子（E-UTRAN Cell Global Identifier）のことである。ＬＴＥ、後述のＬＴＥ−Ａ（Long Term Evolution Advanced）およびＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunication System）において、ＣＳＧ（Closed Subscriber Group）セルが導入される。

ＣＳＧ（Closed Subscriber Group）セルとは、利用可能な加入者をオペレータが特定しているセル（以下「特定加入者用セル」という場合がある）である。特定された加入者は、ＰＬＭＮ（Public Land Mobile Network）の１つ以上のセルにアクセスすることが許可される。特定された加入者がアクセスを許可されている１つ以上のセルを「ＣＳＧセル（ＣＳＧ ｃｅｌｌ（ｓ））」と呼ぶ。ただし、ＰＬＭＮにはアクセス制限がある。

ＣＳＧセルは、固有のＣＳＧアイデンティティ（CSG identity：ＣＳＧ ＩＤ；ＣＳＧ−ＩＤ）を報知し、ＣＳＧインジケーション（CSG Indication）にて「ＴＲＵＥ」を報知するＰＬＭＮの一部である。予め利用登録し、許可された加入者グループのメンバーは、アクセス許可情報であるところのＣＳＧ−ＩＤを用いてＣＳＧセルにアクセスする。

ＣＳＧ−ＩＤは、ＣＳＧセルまたはセルによって報知される。ＬＴＥ方式の通信システムにＣＳＧ−ＩＤは複数存在する。そして、ＣＳＧ−ＩＤは、ＣＳＧ関連のメンバーのアクセスを容易にするために、通信端末（ＵＥ）によって使用される。

通信端末の位置追跡は、１つ以上のセルからなる区域を単位に行われる。位置追跡は、待受け状態であっても通信端末の位置を追跡し、通信端末を呼び出す、換言すれば通信端末が着呼することを可能にするために行われる。この通信端末の位置追跡のための区域をトラッキングエリアと呼ぶ。

３ＧＰＰにおいて、Ｈｏｍｅ−ＮｏｄｅＢ（Ｈｏｍｅ−ＮＢ；ＨＮＢ）、Ｈｏｍｅ−ｅＮｏｄｅＢ（Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ；ＨｅＮＢ）と称される基地局が検討されている。ＵＴＲＡＮにおけるＨＮＢ、およびＥ−ＵＴＲＡＮにおけるＨｅＮＢは、例えば家庭、法人、商業用のアクセスサービス向けの基地局である。非特許文献２には、ＨｅＮＢおよびＨＮＢへのアクセスの３つの異なるモードが開示されている。具体的には、オープンアクセスモード（Open access mode）と、クローズドアクセスモード（Closed access mode）と、ハイブリッドアクセスモード（Hybrid access mode）とが開示されている。

各々のモードは、以下のような特徴を有する。オープンアクセスモードでは、ＨｅＮＢおよびＨＮＢは、通常のオペレータのノーマルセルとして操作される。クローズドアクセスモードでは、ＨｅＮＢおよびＨＮＢは、ＣＳＧセルとして操作される。このＣＳＧセルは、ＣＳＧメンバーのみアクセス可能なＣＳＧセルである。ハイブリッドアクセスモードでは、ＨｅＮＢおよびＨＮＢは、非ＣＳＧメンバーも同時にアクセス許可されているＣＳＧセルとして操作される。言い換えれば、ハイブリッドアクセスモードのセル（ハイブリッドセルとも称する）は、オープンアクセスモードとクローズドアクセスモードとの両方をサポートするセルである。

３ＧＰＰでは、全ての物理セル識別子（Physical Cell Identity：ＰＣＩ）のうち、ＣＳＧセルで使用するためにネットワークによって予約されたＰＣＩ範囲がある（非特許文献１ １０．５．１．１章参照）。ＰＣＩ範囲を分割することをＰＣＩスプリットと称することがある。ＰＣＩスプリットに関する情報（ＰＣＩスプリット情報とも称する）は、システム情報によって基地局から傘下の通信端末に対して報知される。基地局の傘下とは、該基地局をサービングセルとすることを意味する。

非特許文献３は、ＰＣＩスプリットを用いた通信端末の基本動作を開示する。ＰＣＩスプリット情報を有していない通信端末は、全ＰＣＩを用いて、例えば５０４コード全てを用いて、セルサーチを行う必要がある。これに対して、ＰＣＩスプリット情報を有する通信端末は、当該ＰＣＩスプリット情報を用いてセルサーチを行うことが可能である。

また３ＧＰＰでは、リリース１０として、ロングタームエボリューションアドヴァンスド（Long Term Evolution Advanced：ＬＴＥ−Ａ）の規格策定が進められている（非特許文献４、非特許文献５参照）。ＬＴＥ−Ａは、ＬＴＥの無線区間通信方式を基本とし、それにいくつかの新技術を加えて構成される。

ＬＴＥ−Ａシステムでは、１００ＭＨｚまでのより広い周波数帯域幅（transmission bandwidths）をサポートするために、二つ以上のコンポーネントキャリア（Component Carrier：ＣＣ）を集約する（「アグリゲーション（aggregation）する」とも称する）、キャリアアグリゲーション（Carrier Aggregation：ＣＡ）が検討されている。

ＣＡが構成される場合、ＵＥはネットワーク（Network：ＮＷ）と唯一つのＲＲＣ接続（RRC connection）を有する。ＲＲＣ接続において、一つのサービングセルがＮＡＳモビリティ情報とセキュリティ入力を与える。このセルをプライマリセル（Primary Cell：ＰＣｅｌｌ）と呼ぶ。下りリンクで、ＰＣｅｌｌに対応するキャリアは、下りプライマリコンポーネントキャリア（Downlink Primary Component Carrier：ＤＬ ＰＣＣ）である。上りリンクで、ＰＣｅｌｌに対応するキャリアは、上りプライマリコンポーネントキャリア（Uplink Primary Component Carrier：ＵＬ ＰＣＣ）である。

ＵＥの能力（ケーパビリティ（capability））に応じて、セカンダリセル（Secondary Cell：ＳＣｅｌｌ）が、ＰＣｅｌｌとサービングセルの組を形成するために構成される。下りリンクで、ＳＣｅｌｌに対応するキャリアは、下りセカンダリコンポーネントキャリア（Downlink Secondary Component Carrier：ＤＬ ＳＣＣ）である。上りリンクで、ＳＣｅｌｌに対応するキャリアは、上りセカンダリコンポーネントキャリア（Uplink Secondary Component Carrier：ＵＬ ＳＣＣ）である。

一つのＵＥに対して、一つのＰＣｅｌｌと、一つ以上のＳＣｅｌｌとからなるサービングセルの組が構成される。

また、ＬＴＥ−Ａでの新技術としては、より広い帯域をサポートする技術（Wider bandwidth extension）、および多地点協調送受信（Coordinated Multiple Point transmission and reception：ＣｏＭＰ）技術などがある。３ＧＰＰでＬＴＥ−Ａのために検討されているＣｏＭＰについては、非特許文献６に記載されている。

モバイルネットワークのトラフィック量は、増加傾向にあり、通信速度も高速化が進んでいる。ＬＴＥおよびＬＴＥ−Ａが本格的に運用を開始されると、更に通信速度が高速化され、トラフィック量が増加することが見込まれる。

また、スマートフォンおよびタブレット型端末装置の普及によって、セルラー系無線通信によるトラフィック量が爆発的に増加しており、世界中で無線リソースの不足が懸念されている。

トラフィック量の増加の問題に対して、３ＧＰＰにおいて、リリース１２版の規格書の策定が進められている。リリース１２版の規格書では、将来の膨大なトラフィック量に対応するために、スモールｅＮＢを用いることが検討されている。例えば、多数のスモールｅＮＢを設置して、多数のスモールセルを構成することによって、周波数利用効率を高めて、通信容量の増大を図る技術などが検討されている。

その中で、マクロセルとスモールセルとがオーバラップしている場合に、通信端末がマクロセルとスモールセルとの両方に接続する技術として、デュアルコネクティビティ（dual connectivity）が議論されている（非特許文献８参照）。非特許文献８には、マクロセルとスモールセルとがオーバラップしている場合に、通信端末がマクロセルとスモールセルとの両方に接続する技術として、デュアルコネクティビティ（dual connectivity）が開示されている。

さらに、高度化する移動体通信に対して、２０２０年以降にサービスを開始することをターゲットとした第５世代（以下「５Ｇ」という場合がある）無線アクセスシステムが検討されている。例えば、欧州では、ＭＥＴＩＳという団体で５Ｇの要求事項がまとめられている（非特許文献９参照）。

５Ｇ無線アクセスシステムでは、ＬＴＥシステムに対して、システム容量は１０００倍、データ伝送速度は１００倍、データ処理遅延は１０分の１（１／１０）、通信端末の同時接続数は１００倍として、更なる低消費電力化、および装置の低コスト化を実現することが要件として挙げられている。

このような要件を満たすために、周波数を広帯域で使用してデータの伝送容量を増やすことが検討されている。また、周波数利用効率を上げて、データの伝送速度を高めるために、空間多重を可能とする技術、例えば、多素子アンテナを用いたＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）およびビームフォーミングなどの技術が検討されている。

また、無線フォーマットとして、ＤＬ／ＵＬ比率および制御チャネルなどの配置を動的に切り替えるダイナミックＴＤＤ（Time Division Duplex）方式が検討されている。ここで、ＤＬ／ＵＬ比率とは、上りリンク（ＵＬ）の通信量に対する、下りリンク（ＤＬ）の通信量の比率である。

３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１１．７．０ ３ＧＰＰ Ｓ１−０８３４６１ ３ＧＰＰ Ｒ２−０８２８９９ ３ＧＰＰ ＴＲ ３６．８１４ Ｖ９．０．０ ３ＧＰＰ ＴＲ ３６．９１２ Ｖ１０．０．０ ３ＧＰＰ ＴＲ ３６．８１９ Ｖ１１．１．０ ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．１４１ Ｖ１１．１．０ ３ＧＰＰ ＴＲ ３６．８４２ Ｖ０．２．０ "Scenarios, requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system"、［online］、平成２５（２０１３）年４月３０日、ＩＣＴ−３１７６６９−ＭＥＴＩＳ／Ｄ１．１、［平成２８年６月２７日検索］、インターネット<https://www.metis2020.com/documents/deliverables/>

多素子アンテナを備える基地局が指向性ビームを形成することによって、複数の通信端末間の干渉を低減することができ、システム容量を高めることができる。ここで、システム容量とは、通信システムにおいて通信サービスを提供する能力のことである。システム容量は、例えば、通信中の通信端末の個数と、各通信端末における通信速度との積で表される。

指向性ビームのビーム幅をより細く絞ることによって、通信端末間の干渉を更に低減することができる。しかし、ビームの照射範囲が狭くなり過ぎて、移動している通信端末にビームを追従させることが難しくなり、低速移動においても通信性能が急激に劣化してしまうことが起こり得る。

指向性ビームのビーム幅を広くすれば、通信端末の移動に対するビームの追従を容易にすることができるが、通信端末間の干渉を低減する効果は小さくなる。

また、複数の通信端末に対して同時に送信される共通チャネルにおいて、指向性を有するビームを用いると、通信可能な範囲が著しく限定されてしまうという問題がある。

本発明の目的は、通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる通信システムおよび通信方法、ならびに前記通信システムを構成する基地局装置および通信端末装置を提供することである。

本発明の通信システムは、複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムであって、前記基地局装置は、前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成可能であり、各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする。

本発明の基地局装置は、複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムを構成する前記基地局装置であって、前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成可能であり、各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする。

本発明の通信端末装置は、複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムを構成する前記通信端末装置であって、前記基地局装置の前記多素子アンテナから送信されるビーム幅の異なる複数の指向性ビームを受信すると、受信した前記指向性ビームに関するフィードバック情報を、前記基地局装置に送信することを特徴とする。

本発明の通信方法は、複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と複数の通信端末装置との間で無線通信を行う通信方法であって、前記基地局装置は、前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成するとき、各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする。

本発明の通信システムによれば、基地局装置の複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームが形成される。この指向性ビームを用いて、複数の通信端末装置との間で、信号の送受信が行われる。各通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、基地局装置によって、各通信端末装置に対する送受信に用いられる指向性ビームのビーム幅が制御される。これによって、通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる。

本発明の基地局装置によれば、複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームが形成される。この指向性ビームを用いて、複数の通信端末装置との間で、信号の送受信が行われる。各通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各通信端末装置に対する送受信に用いられる指向性ビームのビーム幅が制御される。これによって、通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる。

本発明の通信端末装置によれば、基地局装置の多素子アンテナから送信されるビーム幅の異なる複数の指向性ビームが受信されると、受信された指向性ビームに関するフィードバック情報が基地局装置に送信される。これによって、基地局装置は、各通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各通信端末装置に対する送受信に用いる指向性ビームのビーム幅を制御することができる。したがって、通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる。

本発明の通信方法によれば、基地局装置の複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームが形成される。この指向性ビームを用いて、複数の通信端末装置との間で、信号の送受信が行われる。各通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、基地局装置によって、各通信端末装置に対する送受信に用いられる指向性ビームのビーム幅が制御される。これによって、通信端末装置間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末装置の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる。

ＬＴＥ方式の通信システムで使用される無線フレームの構成を示す説明図である。 ３ＧＰＰにおいて議論されているＬＴＥ方式の通信システム２００の全体的な構成を示すブロック図である。 本発明に係る通信端末である図２に示す移動端末２０２の構成を示すブロック図である。 本発明に係る基地局である図２に示す基地局２０３の構成を示すブロック図である。 本発明に係るＭＭＥの構成を示すブロック図である。 ＬＴＥ方式の通信システムにおいて通信端末（ＵＥ）が行うセルサーチから待ち受け動作までの概略を示すフローチャートである。 マクロｅＮＢとスモールｅＮＢとが混在する場合のセルの構成の概念を示す図である。 従来の多素子アンテナを用いた基地局によって形成される指向性ビームの一例を示す図である。 チャネルの送信に用いられる指向性ビームの例を示す図である。 チャネルの送信に用いられる指向性ビームの例を示す図である。 チャネルの送信に用いられる指向性ビームの例を示す図である。 本発明の実施の形態１の通信システムにおける基地局１００１の構成を示すブロック図である。 アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。 アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。 アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。 アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。 アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。 多素子アンテナから送信されるビームのメインビームからの角度と動作利得との関係を示す図である。 複数の通信端末と基地局との通信に用いられる異なるビーム幅のビームの例を示す図である。 定常的静止状態の通信端末と基地局とのＰＤＳＣＨ送信処理に関するシーケンスの一例を示す図である。 低速移動中の通信端末と基地局とのＰＤＳＣＨ送信処理に関するシーケンスの一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における通信システムの構成を示す図である。

実施の形態１．
図２は、３ＧＰＰにおいて議論されているＬＴＥ方式の通信システム２００の全体的な構成を示すブロック図である。図２について説明する。無線アクセスネットワークは、Ｅ−ＵＴＲＡＮ（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）２０１と称される。通信端末装置である移動端末装置（以下「移動端末（User Equipment：ＵＥ）」という）２０２は、基地局装置（以下「基地局（E-UTRAN NodeB：ｅＮＢ）」という）２０３と無線通信可能であり、無線通信で信号の送受信を行う。

ここで、「通信端末装置」とは、移動可能な携帯電話端末装置などの移動端末装置だけでなく、センサなどの移動しないデバイスも含んでいる。以下の説明では、「通信端末装置」を、単に「通信端末」という場合がある。

移動端末２０２に対する制御プロトコル、例えばＲＲＣ（Radio Resource Control）と、ユーザプレイン、例えばＰＤＣＰ（Packet Data Convergence Protocol）、ＲＬＣ（Radio Link Control）、ＭＡＣ（Medium Access Control）、ＰＨＹ（Physical layer）とが基地局２０３で終端するならば、Ｅ−ＵＴＲＡＮは１つあるいは複数の基地局２０３によって構成される。

移動端末２０２と基地局２０３との間の制御プロトコルＲＲＣ（Radio Resource Control）は、報知（Broadcast）、ページング（paging）、ＲＲＣ接続マネージメント（RRC connection management）などを行う。ＲＲＣにおける基地局２０３と移動端末２０２との状態として、ＲＲＣ＿ＩＤＬＥと、ＲＲＣ＿ＣＯＮＮＥＣＴＥＤとがある。

ＲＲＣ＿ＩＤＬＥでは、ＰＬＭＮ（Public Land Mobile Network）選択、システム情報（System Information：ＳＩ）の報知、ページング（paging）、セル再選択（cell re-selection）、モビリティなどが行われる。ＲＲＣ＿ＣＯＮＮＥＣＴＥＤでは、移動端末はＲＲＣ接続（connection）を有し、ネットワークとのデータの送受信を行うことができる。またＲＲＣ＿ＣＯＮＮＥＣＴＥＤでは、ハンドオーバ（Handover：ＨＯ）、隣接セル（Neighbour cell）の測定（メジャメント（measurement））などが行われる。

基地局２０３は、ｅＮＢ２０７と、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６とに分類される。通信システム２００は、複数のｅＮＢ２０７を含むｅＮＢ群２０３−１と、複数のＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６を含むＨｏｍｅ−ｅＮＢ群２０３−２とを備える。またコアネットワークであるＥＰＣ（Evolved Packet Core）と、無線アクセスネットワークであるＥ−ＵＴＲＡＮ２０１とで構成されるシステムは、ＥＰＳ（Evolved Packet System）と称される。コアネットワークであるＥＰＣと、無線アクセスネットワークであるＥ−ＵＴＲＡＮ２０１とを合わせて、「ネットワーク」という場合がある。

ｅＮＢ２０７は、移動管理エンティティ（Mobility Management Entity：ＭＭＥ）、あるいはＳ−ＧＷ（Serving Gateway）、あるいはＭＭＥおよびＳ−ＧＷを含むＭＭＥ／Ｓ−ＧＷ部（以下「ＭＭＥ部」という場合がある）２０４とＳ１インタフェースにより接続され、ｅＮＢ２０７とＭＭＥ部２０４との間で制御情報が通信される。一つのｅＮＢ２０７に対して、複数のＭＭＥ部２０４が接続されてもよい。ｅＮＢ２０７間は、Ｘ２インタフェースにより接続され、ｅＮＢ２０７間で制御情報が通信される。

Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６は、ＭＭＥ部２０４とＳ１インタフェースにより接続され、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６とＭＭＥ部２０４との間で制御情報が通信される。一つのＭＭＥ部２０４に対して、複数のＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６が接続される。あるいは、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６は、ＨｅＮＢＧＷ（Home-eNB GateWay）２０５を介してＭＭＥ部２０４と接続される。Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６とＨｅＮＢＧＷ２０５とは、Ｓ１インタフェースにより接続され、ＨｅＮＢＧＷ２０５とＭＭＥ部２０４とはＳ１インタフェースを介して接続される。

一つまたは複数のＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６が一つのＨｅＮＢＧＷ２０５と接続され、Ｓ１インタフェースを通して情報が通信される。ＨｅＮＢＧＷ２０５は、一つまたは複数のＭＭＥ部２０４と接続され、Ｓ１インタフェースを通して情報が通信される。

ＭＭＥ部２０４およびＨｅＮＢＧＷ２０５は、上位装置、具体的には上位ノードであり、基地局であるｅＮＢ２０７およびＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６と、移動端末（ＵＥ）２０２との接続を制御する。ＭＭＥ部２０４は、コアネットワークであるＥＰＣを構成する。基地局２０３およびＨｅＮＢＧＷ２０５は、Ｅ−ＵＴＲＡＮ２０１を構成する。

さらに３ＧＰＰでは、以下のような構成が検討されている。Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６間のＸ２インタフェースはサポートされる。すなわち、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６間は、Ｘ２インタフェースにより接続され、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６間で制御情報が通信される。ＭＭＥ部２０４からは、ＨｅＮＢＧＷ２０５はＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６として見える。Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６からは、ＨｅＮＢＧＷ２０５はＭＭＥ部２０４として見える。

Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６が、ＨｅＮＢＧＷ２０５を介してＭＭＥ部２０４に接続される場合および直接ＭＭＥ部２０４に接続される場合のいずれの場合も、Ｈｏｍｅ−ｅＮＢ２０６とＭＭＥ部２０４との間のインタフェースは、Ｓ１インタフェースで同じである。

基地局２０３は、１つのセルを構成してもよいし、複数のセルを構成してもよい。各セルは、移動端末２０２と通信可能な範囲であるカバレッジとして予め定める範囲を有し、カバレッジ内で移動端末２０２と無線通信を行う。１つの基地局２０３が複数のセルを構成する場合、１つ１つのセルが、移動端末２０２と通信可能に構成される。

図３は、本発明に係る通信端末である図２に示す移動端末２０２の構成を示すブロック図である。図３に示す移動端末２０２の送信処理を説明する。まず、プロトコル処理部３０１からの制御データ、およびアプリケーション部３０２からのユーザデータが、送信データバッファ部３０３へ保存される。送信データバッファ部３０３に保存されたデータは、エンコーダー部３０４へ渡され、誤り訂正などのエンコード処理が施される。エンコード処理を施さずに、送信データバッファ部３０３から変調部３０５へ直接出力されるデータが存在してもよい。エンコーダー部３０４でエンコード処理されたデータは、変調部３０５にて変調処理が行われる。変調されたデータは、ベースバンド信号に変換された後、周波数変換部３０６へ出力され、無線送信周波数に変換される。その後、アンテナ３０７から基地局２０３に送信信号が送信される。

また、移動端末２０２の受信処理は、以下のように実行される。基地局２０３からの無線信号がアンテナ３０７により受信される。受信信号は、周波数変換部３０６にて無線受信周波数からベースバンド信号に変換され、復調部３０８において復調処理が行われる。復調後のデータは、デコーダー部３０９へ渡され、誤り訂正などのデコード処理が行われる。デコードされたデータのうち、制御データはプロトコル処理部３０１へ渡され、ユーザデータはアプリケーション部３０２へ渡される。移動端末２０２の一連の処理は、制御部３１０によって制御される。よって制御部３１０は、図３では省略しているが、各部３０１〜３０９と接続している。

図４は、本発明に係る基地局である図２に示す基地局２０３の構成を示すブロック図である。図４に示す基地局２０３の送信処理を説明する。ＥＰＣ通信部４０１は、基地局２０３とＥＰＣ（ＭＭＥ部２０４など）、ＨｅＮＢＧＷ２０５などとの間のデータの送受信を行う。他基地局通信部４０２は、他の基地局との間のデータの送受信を行う。ＥＰＣ通信部４０１および他基地局通信部４０２は、それぞれプロトコル処理部４０３と情報の受け渡しを行う。プロトコル処理部４０３からの制御データ、ならびにＥＰＣ通信部４０１および他基地局通信部４０２からのユーザデータおよび制御データは、送信データバッファ部４０４へ保存される。

送信データバッファ部４０４に保存されたデータは、エンコーダー部４０５へ渡され、誤り訂正などのエンコード処理が施される。エンコード処理を施さずに、送信データバッファ部４０４から変調部４０６へ直接出力されるデータが存在してもよい。エンコードされたデータは、変調部４０６にて変調処理が行われる。変調されたデータは、ベースバンド信号に変換された後、周波数変換部４０７へ出力され、無線送信周波数に変換される。その後、アンテナ４０８より一つもしくは複数の移動端末２０２に対して送信信号が送信される。

また、基地局２０３の受信処理は以下のように実行される。一つもしくは複数の移動端末２０２からの無線信号が、アンテナ４０８により受信される。受信信号は、周波数変換部４０７にて無線受信周波数からベースバンド信号に変換され、復調部４０９で復調処理が行われる。復調されたデータは、デコーダー部４１０へ渡され、誤り訂正などのデコード処理が行われる。デコードされたデータのうち、制御データはプロトコル処理部４０３あるいはＥＰＣ通信部４０１、他基地局通信部４０２へ渡され、ユーザデータはＥＰＣ通信部４０１および他基地局通信部４０２へ渡される。基地局２０３の一連の処理は、制御部４１１によって制御される。よって制御部４１１は、図４では省略しているが、各部４０１〜４１０と接続している。

図５は、本発明に係るＭＭＥの構成を示すブロック図である。図５では、前述の図２に示すＭＭＥ部２０４に含まれるＭＭＥ２０４ａの構成を示す。ＰＤＮ ＧＷ通信部５０１は、ＭＭＥ２０４ａとＰＤＮ ＧＷとの間のデータの送受信を行う。基地局通信部５０２は、ＭＭＥ２０４ａと基地局２０３との間のＳ１インタフェースによるデータの送受信を行う。ＰＤＮ ＧＷから受信したデータがユーザデータであった場合、ユーザデータは、ＰＤＮ ＧＷ通信部５０１から、ユーザプレイン通信部５０３経由で基地局通信部５０２に渡され、１つあるいは複数の基地局２０３へ送信される。基地局２０３から受信したデータがユーザデータであった場合、ユーザデータは、基地局通信部５０２から、ユーザプレイン通信部５０３経由でＰＤＮ ＧＷ通信部５０１に渡され、ＰＤＮ ＧＷへ送信される。

ＰＤＮ ＧＷから受信したデータが制御データであった場合、制御データは、ＰＤＮ ＧＷ通信部５０１から制御プレイン制御部５０５へ渡される。基地局２０３から受信したデータが制御データであった場合、制御データは、基地局通信部５０２から制御プレイン制御部５０５へ渡される。

ＨｅＮＢＧＷ通信部５０４は、ＨｅＮＢＧＷ２０５が存在する場合に設けられ、情報種別によって、ＭＭＥ２０４ａとＨｅＮＢＧＷ２０５との間のインタフェース（ＩＦ）によるデータの送受信を行う。ＨｅＮＢＧＷ通信部５０４から受信した制御データは、ＨｅＮＢＧＷ通信部５０４から制御プレイン制御部５０５へ渡される。制御プレイン制御部５０５での処理の結果は、ＰＤＮ ＧＷ通信部５０１経由でＰＤＮ ＧＷへ送信される。また、制御プレイン制御部５０５で処理された結果は、基地局通信部５０２経由でＳ１インタフェースにより１つあるいは複数の基地局２０３へ送信され、またＨｅＮＢＧＷ通信部５０４経由で１つあるいは複数のＨｅＮＢＧＷ２０５へ送信される。

制御プレイン制御部５０５には、ＮＡＳセキュリティ部５０５−１、ＳＡＥベアラコントロール部５０５−２、アイドルステート（Idle State）モビリティ管理部５０５−３などが含まれ、制御プレインに対する処理全般を行う。ＮＡＳセキュリティ部５０５−１は、ＮＡＳ（Non-Access Stratum）メッセージのセキュリティなどを行う。ＳＡＥベアラコントロール部５０５−２は、ＳＡＥ（System Architecture Evolution）のベアラの管理などを行う。アイドルステートモビリティ管理部５０５−３は、待受け状態（アイドルステート（Idle State）；ＬＴＥ−ＩＤＬＥ状態、または、単にアイドルとも称される）のモビリティ管理、待受け状態時のページング信号の生成および制御、傘下の１つあるいは複数の移動端末２０２のトラッキングエリアの追加、削除、更新、検索、トラッキングエリアリスト管理などを行う。

ＭＭＥ２０４ａは、１つまたは複数の基地局２０３に対して、ページング信号の分配を行う。また、ＭＭＥ２０４ａは、待受け状態（Idle State）のモビリティ制御（Mobility control）を行う。ＭＭＥ２０４ａは、移動端末が待ち受け状態のとき、および、アクティブ状態（Active State）のときに、トラッキングエリア（Tracking Area）リストの管理を行う。ＭＭＥ２０４ａは、ＵＥが登録されている（registered）追跡領域（トラッキングエリア：Tracking Area）に属するセルへ、ページングメッセージを送信することで、ページングプロトコルに着手する。ＭＭＥ２０４ａに接続されるＨｏｍｅ−ｅＮＢ２０６のＣＳＧの管理およびＣＳＧ−ＩＤの管理、そしてホワイトリスト管理は、アイドルステートモビリティ管理部５０５−３で行われてもよい。

次に通信システムにおけるセルサーチ方法の一例を示す。図６は、ＬＴＥ方式の通信システムにおいて通信端末（ＵＥ）が行うセルサーチから待ち受け動作までの概略を示すフローチャートである。通信端末は、セルサーチを開始すると、ステップＳＴ６０１で、周辺の基地局から送信される第一同期信号（Ｐ−ＳＳ）、および第二同期信号（Ｓ−ＳＳ）を用いて、スロットタイミング、フレームタイミングの同期をとる。

Ｐ−ＳＳとＳ−ＳＳとを合わせて、同期信号（Synchronization Signal：ＳＳ）という。同期信号（ＳＳ）には、セル毎に割り当てられたＰＣＩに１対１に対応するシンクロナイゼーションコードが割り当てられている。ＰＣＩの数は５０４通りが検討されている。この５０４通りのＰＣＩを用いて同期をとるとともに、同期がとれたセルのＰＣＩを検出（特定）する。

次に同期がとれたセルに対して、ステップＳＴ６０２で、基地局からセル毎に送信される参照信号（リファレンスシグナル：ＲＳ）であるセル固有参照信号（Cell-specific Reference Signal：ＣＲＳ）を検出し、ＲＳの受信電力（Reference Signal Received Power：ＲＳＲＰ）の測定を行う。参照信号（ＲＳ）には、ＰＣＩと１対１に対応したコードが用いられている。そのコードで相関をとることによって他セルと分離できる。ステップＳＴ１で特定したＰＣＩから、該セルのＲＳ用のコードを導出することによって、ＲＳを検出し、ＲＳの受信電力を測定することが可能となる。

次にステップＳＴ６０３で、ステップＳＴ６０２までで検出された一つ以上のセルの中から、ＲＳの受信品質が最もよいセル、例えば、ＲＳの受信電力が最も高いセル、つまりベストセルを選択する。

次にステップＳＴ６０４で、ベストセルのＰＢＣＨを受信して、報知情報であるＢＣＣＨを得る。ＰＢＣＨ上のＢＣＣＨには、セル構成情報が含まれるＭＩＢ（Master Information Block）がマッピングされる。したがって、ＰＢＣＨを受信してＢＣＣＨを得ることで、ＭＩＢが得られる。ＭＩＢの情報としては、例えば、ＤＬ（ダウンリンク）システム帯域幅（送信帯域幅設定（transmission bandwidth configuration：dl-bandwidth）とも呼ばれる）、送信アンテナ数、ＳＦＮ（System Frame Number）などがある。

次にステップＳＴ６０５で、ＭＩＢのセル構成情報をもとに該セルのＤＬ−ＳＣＨを受信して、報知情報ＢＣＣＨの中のＳＩＢ（System Information Block）１を得る。ＳＩＢ１には、該セルへのアクセスに関する情報、セルセレクションに関する情報、他のＳＩＢ（ＳＩＢｋ；ｋ≧２の整数）のスケジューリング情報が含まれる。また、ＳＩＢ１には、トラッキングエリアコード（Tracking Area Code：ＴＡＣ）が含まれる。

次にステップＳＴ６０６で、通信端末は、ステップＳＴ６０５で受信したＳＩＢ１のＴＡＣと、通信端末が既に保有しているトラッキングエリアリスト内のトラッキングエリア識別子（Tracking Area Identity：ＴＡＩ）のＴＡＣ部分とを比較する。トラッキングエリアリストは、ＴＡＩリスト（TAI list）とも称される。ＴＡＩはトラッキングエリアを識別するための識別情報であり、ＭＣＣ（Mobile Country Code）と、ＭＮＣ（Mobile Network Code）と、ＴＡＣ（Tracking Area Code）とによって構成される。ＭＣＣは国コードである。ＭＮＣはネットワークコードである。ＴＡＣはトラッキングエリアのコード番号である。

通信端末は、ステップＳＴ６０６で比較した結果、ステップＳＴ６０５で受信したＴＡＣがトラッキングエリアリスト内に含まれるＴＡＣと同じならば、該セルで待ち受け動作に入る。比較して、ステップＳＴ６０５で受信したＴＡＣがトラッキングエリアリスト内に含まれなければ、通信端末は、該セルを通して、ＭＭＥなどが含まれるコアネットワーク（Core Network，ＥＰＣ）へ、ＴＡＵ（Tracking Area Update）を行うためにトラッキングエリアの変更を要求する。

コアネットワークを構成する装置（以下「コアネットワーク側装置」という場合がある）は、ＴＡＵ要求信号とともに通信端末から送られてくる該通信端末の識別番号（ＵＥ−ＩＤなど）をもとに、トラッキングエリアリストの更新を行う。コアネットワーク側装置は、通信端末に更新後のトラッキングエリアリストを送信する。通信端末は、受信したトラッキングエリアリストに基づいて、通信端末が保有するＴＡＣリストを書き換える（更新する）。その後、通信端末は、該セルで待ち受け動作に入る。

スマートフォンおよびタブレット型端末装置の普及によって、セルラー系無線通信によるトラフィックが爆発的に増大しており、世界中で無線リソースの不足が懸念されている。これに対応して周波数利用効率を高めるために、小セル化し、空間分離を進めることが検討されている。

従来のセルの構成では、ｅＮＢによって構成されるセルは、比較的広い範囲のカバレッジを有する。従来は、複数のｅＮＢによって構成される複数のセルの比較的広い範囲のカバレッジによって、あるエリアを覆うように、セルが構成されている。

小セル化された場合、ｅＮＢによって構成されるセルは、従来のｅＮＢによって構成されるセルのカバレッジに比べて範囲が狭いカバレッジを有する。したがって、従来と同様に、あるエリアを覆うためには、従来のｅＮＢに比べて、多数の小セル化されたｅＮＢが必要となる。

以下の説明では、従来のｅＮＢによって構成されるセルのように、カバレッジが比較的大きいセルを「マクロセル」といい、マクロセルを構成するｅＮＢを「マクロｅＮＢ」という。また、小セル化されたセルのように、カバレッジが比較的小さいセルを「スモールセル」といい、スモールセルを構成するｅＮＢを「スモールｅＮＢ」という。

マクロｅＮＢは、例えば、非特許文献７に記載される「ワイドエリア基地局（Wide Area Base Station）」であってもよい。

スモールｅＮＢは、例えば、ローパワーノード、ローカルエリアノード、ホットスポットなどであってもよい。また、スモールｅＮＢは、ピコセルを構成するピコｅＮＢ、フェムトセルを構成するフェムトｅＮＢ、ＨｅＮＢ、ＲＲＨ（Remote Radio Head）、ＲＲＵ（Remote Radio Unit）、ＲＲＥ（Remote Radio Equipment）またはＲＮ（Relay Node）であってもよい。また、スモールｅＮＢは、非特許文献７に記載される「ローカルエリア基地局（Local Area Base Station）」または「ホーム基地局（Home Base Station）」であってもよい。

図７は、マクロｅＮＢとスモールｅＮＢとが混在する場合のセルの構成の概念を示す図である。マクロｅＮＢによって構成されるマクロセルは、比較的広い範囲のカバレッジ７０１を有する。スモールｅＮＢによって構成されるスモールセルは、マクロｅＮＢ（マクロセル）のカバレッジ７０１に比べて範囲が小さいカバレッジ７０２を有する。

複数のｅＮＢが混在する場合、あるｅＮＢによって構成されるセルのカバレッジが、他のｅＮＢによって構成されるセルのカバレッジ内に含まれる場合がある。図７に示すセルの構成では、参照符号「７０４」または「７０５」で示されるように、スモールｅＮＢによって構成されるスモールセルのカバレッジ７０２が、マクロｅＮＢによって構成されるマクロセルのカバレッジ７０１内に含まれる場合がある。

また、参照符号「７０５」で示されるように、複数、例えば２つのスモールセルのカバレッジ７０２が、１つのマクロセルのカバレッジ７０１内に含まれる場合もある。移動端末（ＵＥ）７０３は、例えばスモールセルのカバレッジ７０２内に含まれ、スモールセルを介して通信を行う。

また図７に示すセルの構成では、参照符号「７０６」で示されるように、マクロｅＮＢによって構成されるマクロセルのカバレッジ７０１と、スモールｅＮＢによって構成されるスモールセルのカバレッジ７０２とが複雑に重複する場合が生じる。

また、参照符号「７０７」で示されるように、マクロｅＮＢによって構成されるマクロセルのカバレッジ７０１と、スモールｅＮＢによって構成されるスモールセルのカバレッジ７０２とが重複しない場合も生じる。

さらには、参照符号「７０８」で示されるように、多数のスモールｅＮＢによって構成される多数のスモールセルのカバレッジ７０２が、１つのマクロｅＮＢによって構成される１つのマクロセルのカバレッジ７０１内に構成される場合も生じる。

図８は、従来の多素子アンテナを用いた基地局によって形成される指向性ビームの一例を示す図である。基地局８０１は、複数のアンテナ素子から成る多素子アンテナ８０２を備えて構成される。

多素子アンテナ８０２は、Ｍ×Ｎ個のアンテナ素子から成る平面アレーアンテナで構成される。ここで、Ｍ，Ｎは自然数である。多素子アンテナ８０２は、各アンテナ素子の位相を制御して合成することによって、水平方向および垂直方向に対して指向性ビーム８０３，８０４を形成することができる。

従来の多素子アンテナ８０２を用いた基地局８０１では、各通信端末８０５，８０６に対して、細く絞られた指向性ビーム８０３，８０４を用いて通信が行われる。これによって、ユーザ間が空間的に分離され、ユーザ間干渉が低減されたマルチユーザＭＩＭＯによる通信を実現することができる。

図９〜図１１は、チャネルの送信に用いられる指向性ビームの例を示す図である。例えば、図９に示すように、基地局９０１の多素子アンテナ９０２によって照射される、細く絞られた指向性ビーム９０３が、通信端末９０４へのＰＤＳＣＨの送信に用いられる場合、通信端末９０４間の干渉を十分に低減することができる。

通信端末９０４が矢符方向に移動中の場合、基地局９０１は、通信端末９０４からのフィードバック情報を基に、移動中の通信端末９０４の追従を行う必要がある。

図９に示すように、細く絞られた指向性ビーム９０３が用いられている場合、例えば通信端末９０４が矢符方向に移動して２点鎖線の位置に来たときに、ビーム９０３が容易に通信端末９０４の受信アンテナから外れてしまい、急激にスループットが低下する事態が起こり得る。

これに対し、図１０に示すように、基地局９０５の多素子アンテナ９０６によって照射される、広いビーム幅の指向性ビーム９０７を、通信端末９０８へのＰＤＳＣＨの送信に用いた場合、移動中の通信端末９０８の受信アンテナからビーム９０７が外れにくくなり、安定した動作が期待できる。しかし、通信端末９０８間の干渉を低減する効果は薄れてくる。

また図１１に示すように、基地局９０９の多素子アンテナ９１０によって照射される指向性ビーム９１０が、ＰＤＣＣＨの送信に用いられる場合、ＰＤＣＣＨは、セル内の複数のユーザの情報、例えば図１１に示す通信端末９１１〜９１４の情報が多重されている。またＰＢＣＨのような共通チャネルは、セル内の全ユーザ、例えば図１１に示す通信端末９１１〜９１４に送信される。

このような共通チャネルの場合に、指向性ビーム９１０を使用して送信すると、第２の通信端末９１２および第３の通信端末９１３のように、共通チャネルを受信できない通信端末９１２，９１３が多く発生し、通信可能な範囲であるセルエリアを著しく狭めてしまうことになる。

以上のような問題を解決するために、本発明の実施の形態１では、以下の構成を採用している。

図１２は、本発明の実施の形態１の通信システムにおける基地局１００１の構成を示すブロック図である。基地局１００１は、アレーアンテナ部１００２、制御部１００３、変調部１００４、Ｄ／Ａ（Digital/Analog）変換部１００５、復調部１００６、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換部１００７、周波数変換部１００８およびビーム幅選択部１００９を備えて構成される。アレーアンテナ部１００２は、多素子アンテナに相当する。

図１２に示す基地局１００１の送信処理は、以下のように実行される。制御部１００３は、送信データを変調部１００４に与える。変調部１００４は、制御部１００３から与えられた送信信号を変調して、Ｄ／Ａ変換部１００５に与える。Ｄ／Ａ変換部１００５は、変調部１００４から与えられた送信信号を、ディジタル信号からアナログ信号に変換して、周波数変換部１００８に与える。

周波数変換部１００８は、Ｄ／Ａ変換部１００５から与えられた信号を、所望の搬送波にアップコンバートして、アレーアンテナ部１００２に与える。アレーアンテナ部１００２は、周波数変換部１００８から与えられた信号が、複数のアンテナ素子から通信端末に送信される。

また、基地局１００１の受信処理は以下のように実行される。一つもしくは複数の通信端末からの無線信号が、アレーアンテナ部１００２の複数のアンテナ素子によって受信される。アレーアンテナ部１００２は、受信信号を周波数変換部１００８に与える。周波数変換部１００８は、アレーアンテナ部１００２から与えられた信号をダウンコンバートして、Ａ／Ｄ変換部１００７に与える。

Ａ／Ｄ変換部１００７は、周波数変換部１００８から与えられた信号を、アナログ信号からディジタル信号に変換して、復調部１００６に与える。復調部１００６は、Ａ／Ｄ変換部１００７から与えられた信号を復調する。復調部１００６によって復調された信号は、制御部１００３に与えられるとともに、ビーム幅選択部１００９に与えられる。

復調部１００６からビーム幅選択部１００９に与えられる信号には、通信端末からのフィードバック情報であるビーム幅インジケータ（Beam Width Indicator；略称：ＢＷＩ）が含まれている。制御部１００３は、チャネル情報をビーム幅選択部１００９に与える。

ビーム幅選択部１００９は、復調部１００６から与えられる信号に含まれるＢＷＩと、制御部１００３から与えられるチャネル情報とに基づいて、最適なビーム幅を選択する。ＢＷＩは、水平方向のビーム幅と垂直方向のビーム幅とを独立に制御できる２次元のビーム幅情報であってもよい。ビーム幅選択部１００９は、選択したビーム幅に関する情報をアレーアンテナ部１００２に与える。

アレーアンテナ部１００２は、ビーム幅選択部１００９から与えられたビーム幅に関する情報に基づいて、指向性ビームを形成する。指向性ビームを形成する方法としては、Ｄ／Ａ変換前のディジタル信号で位相を制御するディジタルビームフォーミング、およびＤ／Ａ変換後のアナログ信号で位相を制御するアナログビームフォーミングなどの方法がある。本実施の形態では、ビームの形成方法の種類は問わない。

本実施の形態では、異なるビーム幅を実現するために、図１２で示すようにアレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用するアンテナ素子の個数を制御する。使用するアンテナ素子の個数が多いほど、合成する波の数が多くなり、そこから形成されるビームは、シャープで細く絞られたビームとなる。

反対に、使用するアンテナ素子の個数が少ないほど、粗く広いビームとなる。最終的に１アンテナ素子のみから送信すれば、指向性は完全に無くなり、最も広範囲に送信することができる。

図１３〜図１７は、アレーアンテナ部１００２でビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１３〜図１７において、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向は、それぞれ、互いに直交する。ビームの照射方向であるＺ方向に直交するＸ方向およびＹ方向のうち、Ｘ方向であるＥＬ方向を縦軸として示し、Ｙ方向であるＡＺ方向を横軸として示す。図１３は、最も狭いビーム幅のビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１４は、図１３のビームよりも一回り広いビーム幅のビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１５は、図１４のビームよりもさらに一回り広いビーム幅のビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１７は、最も広いビーム幅のビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１６は、図１７のビームよりも一回り狭いビームの形成に使用されるアンテナ素子を示す図である。図１３〜図１７の順に、ビームの形成に使用されるアンテナ素子の数は少なくなる。

図１３〜図１７の例では、１６×１６の２５６素子の平面アレーアンテナの場合を示している。ビーム幅を最も細くしたい場合は、図１３に示すように、２５６個すべてのアンテナ素子を使用する。次に細いビーム幅として、図１４に示すように、中心の１４×１４の１９６個のアンテナ素子を使用し、外側の６０個のアンテナ素子を未使用とする。次に細いビーム幅として、図１５に示すように、中心の１２×１２の１４４個のアンテナ素子を使用し、外側の１１２個のアンテナ素子を未使用とする。

このように、使用するアンテナ素子の個数を徐々に減らしていく。最終的に、図１７に示すように１個のアンテナ素子だけを使用するときに指向性が無くなり、最も広いビーム幅となる。使用するアンテナ素子を間引く方法は、図１３〜図１７に示す例以外の方法でもよい。

また、基地局１００１でアレーアンテナ部１００２を使用して受信する場合も、送信する場合と同様に、指向性のある受信ビームを形成することができる。この場合も、アンテナ素子の個数を制御することによって、ビーム幅を可変とすることができる。

このように、使用するアンテナ素子の個数は変化するが、総送信電力が一定となるように、１アンテナあたりの送信電力を制御してもよい。

図１８は、多素子アンテナから送信されるビームのメインビームからの角度と動作利得との関係を示す図である。図１８において、横軸は、多素子アンテナから送信されるビームのメインビームからの角度（以下、単に「角度」という場合がある）[deg]を示し、縦軸は動作利得（Actual Gain）[dBi]を示す。

異なるビーム幅を実現する他の方法として、使用するアンテナ素子の個数は変化させずに、意図的にビームのピントを外し、ピントのボケ具合を制御することによって、ビーム幅を制御する方法を用いてもよい。

具体的には、図１８に示すように、多素子アンテナのビームを形成するときに、参照符号「１０１」で示される通常のビームフォーミングで使用する計算方法とは異なり、事前に特別に調整した算出式を用いて、意図的にビームのピントを外す。これによって、参照符号「１０２」で示されるように、ピントが外れた、すなわちピントがぼけたビームを形成することができる。

このピントのボケ具合を制御することによって、ビーム幅を制御することができる。この場合、アンテナ素子１個あたりの送信電力を常に一定にすることができるというメリットがある。

図１９は、複数の通信端末と基地局との通信に用いられる異なるビーム幅のビームの例を示す図である。図１９では、各通信端末１３０１，１３０７，１３０８，１３０９からのフィードバック情報ＢＷＩ １３１４，１３１１，１３１２，１３１３に基づいて、指向性ビーム１３０３，１３０５，１３０６，１３０４を制御する場合を示す。

基地局１３０１は、指向性ビームを形成可能に構成される。基地局１３０１は、アレーアンテナ部１３０２で使用するアンテナ素子の個数を増減することによって、ビーム幅を可変にできる機能を有する。

図１９において、第１の通信端末１３０７、第３の通信端末１３０９および第４の通信端末１３１０は静止状態であり、第２の通信端末１３０８は移動中とする。

まず、各通信端末は、自身の状態を測定する。例えば、基地局が送信する既知系列が単位時間あたりにどのくらい位相回転しているかを測定することによって、ドップラー周波数を測定できることが知られている。この機能を備えることによって、チャネル推定の回転量を計算し、定量化することによって、自端末のドップラー周波数を推定することができる。それが事前に調整された基準値と比較することによって、自身の移動速度が静止状態なのか、もしくは低速および高速移動中であることを推定することができる。すなわち、基準値より大きいときには高速移動しており、基準値より小さいときには低速移動あるいは静止状態と判断する。

次に、これらの測定値に基づいて、受信したいビーム幅の指標値であるＢＷＩを算出する。ＢＷＩを選択するにあたり、移動速度を使用することによって、移動中の端末のビーム追従のし易さを最適化することができる。すなわち、移動速度が高速であるときには、ビーム幅を広くして急激な伝搬環境の変化にも追随できるようにし、移動速度が低速あるいは静止状態のときには、ビーム幅を狭くしてビームの利得の向上および他の通信端末の干渉の抑制を行う。

移動速度の推定は、基地局が一定電力で送信している信号の受信電力（Received Signal Strength Indicator；略称：ＲＳＳＩ）の変化を用いてもよいし、端末に設けられているＧＰＳ（Global Positioning System）により位置の変化から算出してもよい。

上記では、位相回転量を測定し、移動速度を推定した例を示したが、相関器を用いた伝搬路の遅延分布から、伝搬路のマルチパス環境を推定することによって、伝搬路が見通し（Line of Sight；略称：ＬＯＳ）なのか、見通し外（Non Line of Sight；略称：ＮＬＯＳ）なのかを推定するのも有効である。

すなわち、マルチパスが多く観測できる環境（事前に調整された基準値と比較）では、見通し外と推定でき、ビーム幅を広くして急激な伝搬環境の変化にも追随できるようにする。マルチパスが少ない環境では、見通しと推定でき、ビーム幅を狭くしてビームの利得の向上および他の通信端末の干渉の抑制を行う。

見通しでは、より細いビーム幅を選択できることで干渉を低減し、見通し外のマルチパス環境では、端末が静止状態または低速移動中であっても、見通し環境よりもビーム幅を広くしないと急激な性能劣化につながる。このように遅延分散の情報を考慮することによって、伝搬路に応じた最適なビーム幅を選択することができ、システム容量の最大化を図ることができる。

その他にも、信号と干渉および雑音の比である信号対干渉雑音電力比（Signal to Interference plus Noise power Ratio；略称：ＳＩＮＲ）を測定するのも有効である。すなわち、ＳＩＮＲが低い環境では、ビーム幅を広くして急激な伝搬環境の変化にも追随できるようにし、ＳＩＮＲが高い環境では、ビーム幅を狭くしてビームの利得の向上および他の通信端末の干渉の抑制を行う。

また、ＳＩＮＲが低くても、移動速度が低速あるいは静止状態にあるときには、ビーム幅を狭くしてビームの利得の向上および他の通信端末の干渉の抑制を行うことによって、システム容量を向上することができる。

端末がＢＷＩを選択するために、基地局におけるアレーアンテナ部を構成するアンテナ素子の間隔ｄの情報を用いてもよい。一般的に、アンテナ素子の間隔ｄをλ／２よりも大きくすることによって、ビーム幅を細くできるが、不要なグレーティングローブが発生する。基地局メーカーの違い、またセルの設計などによって、セル毎に最適なアンテナ素子の間隔ｄが設定されることが想定される。

ここで、アンテナ素子の間隔ｄは、事前に基地局から報知情報の一部としてセル内の端末に通知されることを想定する。

ＢＷＩを基地局に送信するために、いくつかの手段を用いてもよい。ＲＲＣ（Radio Resource Control）メッセージで送信する場合、送信するタイミングは、ＢＷＩが変化したときに通知してもよいし、変化量が特定の閾値以上になったとき通知してもよいし、周期的に通知してもよい。

他の手段として、上りリンクでＡＣＫ／ＮＡＣＫおよびＣＱＩ（Channel Quality Information）情報を、ＰＵＣＣＨを使用して送信するのと同じように、ＢＷＩもＰＵＣＣＨを使用して送信してもよい。またＭＡＣレイヤの一部の制御情報として送信してもよい。

基地局は、ＢＷＩ、および無線フォーマット上の送信すべきチャネルの種別を考慮し、最適なビーム幅を選択する。

定常的静止状態と判断される端末１に対してのＰＤＳＣＨ送信は、最も細いビーム幅を選択して送信する。ここで、定常的静止状態と判断する手段として、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ値が、端末から指定回数以上連続して報告されることを条件として考慮してもよい。

また、公共の静止した機器に搭載された端末の場合は、定常的静止状態として使用されるという情報を端末情報の一部として、リンク確立後の基地局に報告し、その情報をビーム幅選択に用いてもよい。

移動中と判断された端末２へのＰＤＳＣＨ送信は、移動速度に応じた最適なビーム幅を選択する。ここで、移動中と判断する手段として、端末から報告されるＢＷＩが定常的静止状態ではなく、ＢＷＩが定期的に変動している状態を示す。ここで事前の調整されたＢＷＩ値とビーム幅のマッピングテーブルから最適なビーム幅が選択される。

端末３は、この例では、ＰＤＣＣＨシンボル区間のみを受信している状態を示している。この状態では指向性の強いビームではなく、複数ユーザが多重されたＰＤＣＣＨを受信できるように、チャネル種別により、広いビーム幅が選択される。送信されるチャネル種別はシンボル毎に変化するため、シンボル単位での高速ビーム幅切り替えを実現する。例えば、ＰＤＣＣＨのビーム幅に対するＰＤＳＣＨのビーム幅の比（乗数）を、ＰＤＣＣＨで送信するのも有効である。

端末４は、この例では、ＰＢＣＨのみを受信している。このような全ユーザが受信するべき共通チャネルを受信するシンボルでは、最も広いビーム幅で送信される。

ビームフォーミングを形成するための各アンテナ素子に対する位相回転器の使用アンテナ素子数を、ＢＷＩを考慮したビーム幅選択アルゴリズムだけでなく、無線フォーマットで規定されたシンボル単位のチャネル種別情報を考慮しビーム幅を時間的に切り替えることによって、時間方向に対するシンボル毎ビーム幅切り替えが可能となる。

また、周波数方向に対しても、各アンテナ素子に対して、周波数方向に位相回転器の実体を並列実装する、もしくは周波数方向に１つの位相回転器の実体を時分割で逐次的高速処理することによって、周波数方向に対してもシンボル毎にビーム幅の切り替えが可能となる。

これによって、時間方向および周波数方向によるＲＢ（Resource Block）単位、もしくはＲＢ内のシンボル単位のビーム幅の切り替えが可能となる。したがって、時間方向および周波数方向に多重されたすべてのチャネル種別の分離、もしくは同一チャネル内での時間および周波数方向のシンボルの分離を実現することができる。これによって、シンボル毎のビーム幅を、より細やかに最適化することによって、更なるシステムの容量の最大化を図ることができる。

図２０は、定常的静止状態の通信端末と基地局とのＰＤＳＣＨ送信処理に関するシーケンスの一例を示す図である。

ステップＳＴ２００１において、基地局は、ビーム幅の初期値として、最も広い１×１素子、すなわち１×１個のアンテナ素子を選択して、選択した１×１素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２００２において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２００３において、通信端末は、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝０を基地局に送信する。

基地局は、ＢＷＩだけでなく、種々の情報に基づいて、ビーム幅を決定することになるが、一度に大きくビーム幅を変化させることはせずに、段階的にビーム幅を細くしていく。ステップＳＴ２００４において、基地局は、２×２素子のビーム幅を選択する。

ステップＳＴ２００５において、基地局は、選択した２×２素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２００６において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２００７において、通信端末は、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝０を基地局に送信する。

ステップＳＴ２００８において、基地局は、４×４素子のビーム幅を選択する。ステップＳＴ２００９において、基地局は、選択した４×４素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２０１０において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２０１１において、通信端末は、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝０を基地局に送信する。

ステップＳＴ２０１２において、基地局は、８×８素子のビーム幅を選択する。ステップＳＴ２０１３において、基地局は、選択した８×８素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２０１４において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２０１５において、通信端末は、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝０を基地局に送信する。

ステップＳＴ２０１６において、基地局は、１６×１６素子のビーム幅を選択する。ステップＳＴ２０１７において、基地局は、選択した１６×１６素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２０１８において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２０１９において、通信端末は、最も細いビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝０を基地局に送信する。

ステップＳＴ２０２０において、基地局は、１６×１６素子のビーム幅を選択する。ステップＳＴ２０２１において、基地局は、選択した１６×１６素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

以上のように、基地局には、通信端末からＢＷＩ＝０が継続的に送られてくるが、基地局は徐々にビーム幅を細くしていき、最終的に１６×１６素子の最も細いビーム幅を選択して、選択した最も細いビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

図２１は、低速移動中の通信端末と基地局とのＰＤＳＣＨ送信処理に関するシーケンスの一例を示す図である。

ステップＳＴ２１０１において、基地局は、ビーム幅の初期値として、最も広い１×１素子を選択して、選択した１×１素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２１０２において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２１０３において、通信端末は、歩行程度の低速向けのビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝３を基地局に送信する。

ステップＳＴ２１０４において、基地局は、歩行程度の低速向けのビーム幅となる２×２素子をビーム幅として選択する。

ステップＳＴ２１０５において、基地局は、選択した２×２素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２１０６において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２１０７において、通信端末は、歩行程度の低速向けのビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝３を基地局に送信する。

ステップＳＴ２１０８において、基地局は、歩行程度の低速向けのビーム幅となる４×４素子をビーム幅として選択する。

ステップＳＴ２１０９において、基地局は、選択した４×４素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２１１０において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２１１１において、通信端末は、歩行程度の低速向けのビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝２を基地局に送信する。

ステップＳＴ２１１２において、基地局は、歩行程度の低速向けのビーム幅となる２×２素子をビーム幅として選択する。

ステップＳＴ２１１３において、基地局は、選択した２×２素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２１１４において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２１１５において、通信端末は、歩行程度の低速向けのビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝２を基地局に送信する。

ステップＳＴ２１１６において、基地局は、歩行程度の低速向けのビーム幅となる２×２素子をビーム幅として選択する。

ステップＳＴ２１１７において、基地局は、選択した２×２素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

ステップＳＴ２１１８において、通信端末は、測定と、ＢＷＩの選択とを行う。ステップＳＴ２１１９において、通信端末は、歩行程度の低速向けのビーム幅を意味するＢＷＩ、具体的にはＢＷＩ＝３を基地局に送信する。

ステップＳＴ２１２０において、基地局は、歩行程度の低速向けのビーム幅となる４×４素子をビーム幅として選択する。

ステップＳＴ２１２１において、基地局は、選択した４×４素子のビーム幅に関する情報を通信端末に送信する。

以上のように本実施の形態によれば、基地局の複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームが形成される。この指向性ビームを用いて、複数の通信端末との間で、信号の送受信が行われる。各通信端末から与えられるフィードバック情報、例えばＢＷＩに基づいて、基地局によって、各通信端末に対する送受信に用いられる指向性ビームのビーム幅が制御される。これによって、通信端末間の干渉を低減して、システム容量を高めるとともに、通信端末の移動に伴う通信性能の低下を抑えることができる。

具体的には、通信端末のビーム追従性能の低下を抑えるとともに、通信端末間の干渉を低減することができる。また、チャネル種別などによって、ビーム幅を切り替えることができるので、システム容量を高めることができる。

以上の本実施の形態では、通信状態での通信端末の動作について説明したが、これに限定されない。たとえば、ハンドオーバのときにＲＲＣメッセージとして送付されるパラメータに、前述のＢＷＩを追加すると、新しいセルでのビーム形状を、最も広い１×１素子の初期ビーム幅からではなく、速やかに最適なビーム幅へ指定可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２の通信システムは、前述の実施の形態１の通信システムと構成が類似するので、共通する説明および図示を省略する。

基地局間で連携しセル間の干渉を軽減する技術としてｅＩＣＩＣ（enhanced Inter-Cell Interference Coordination）が知られている。スモールセル間で用いられるネットワーク連携基地局のビームフォーミングは、ビームの方向を基地局間で連携し、変えることによって、干渉を防ぐシステムとして使用される。これによって、他のユーザへの影響を最小限に抑えることができ、システムの容量の最大化を図ることができる。この技術に、本発明のビーム幅制御を適用することによって、更なる効率的なｅＩＣＩＣを実現することができる。

図２２は、本発明の実施の形態２における通信システムの構成を示す図である。参照符号「１６０１」で示される基地局１と、参照符号「１６０３」で示される基地局２との２つの基地局が配置されている。基地局１のセル内にある端末１を、参照符号「１６０５」で示している。基地局２のセル内にある端末２を、参照符号「１６０６」で示している。基地局１は、多素子アンテナ１６０２によって、ビーム１６０９を形成する。基地局２は、多素子アンテナ１６０４によって、ビーム１６１０を形成する。

端末１は、測定し、選択したＢＷＩ １６０７を基地局１に通知する。端末２は、測定し、選択したＢＷＩ １６０８を基地局２に通知する。基地局間インタフェース１６１１は、基地局１と基地局２とを接続している。

これによって、互いに収容している通信端末のＢＷＩ情報などを相互に受け渡すことができる。ここで、基地局間インタフェース１６１１は、Ｘ２インタフェース、またはそれ以外のインタフェースを用いてもよい。

基地局１は、基地局２に収容されている端末２のＢＷＩを知ることによって、端末１のビーム幅を決定するときの情報として使用することができる。例えば、端末２のＢＷＩが、細いビーム幅を要求しているときは問題ないが、端末２のＢＷＩが、広いビーム幅を要求している場合、端末１と端末２との干渉が生じることがある。この場合、端末１でビーム幅を狭めるか、もしくは別の端末にＰＤＳＣＨを割り当てることによって、端末１と端末２との干渉を回避することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３の通信システムは、前述の実施の形態１の通信システムと構成が類似するので、共通する説明および図示を省略する。

前述の実施の形態１では、通信端末がドップラー周波数を推定し、移動速度を算出する。そして、通信端末は、推定したドップラー周波数および算出した移動速度を用いて、ＢＷＩを選択し、基地局に通知する。

これに対し、本実施の形態では、通信端末は、ＢＷＩの代わりに、移動速度の指標値であるＵＶＩ（UE Velocity Indicator）を基地局に通知する。ここで、通信端末は、ドップラー周波数を推定し、事前に調整された移動速度との変換テーブルに基づいて、２ビットの指標値として割り当ててもよい。

例えば、０〜３ｋｍ／ｈの場合は、ＵＶＩ＝０とし、３〜３０ｋｍ／ｈの場合は、ＵＶＩ＝１とし、３０〜１２０ｋｍ／ｈの場合は、ＵＶＩ＝２とし、１２０ｋｍ／ｈ以上の場合は、ＵＶＩ＝３とする。

この場合、基地局は、ＵＶＩをビーム幅の選択だけでなく、ビームの方位を決定するアルゴリズム、ならびに他の種々の機能を最適化する情報として使うことができる。

例えば、ビームの方位を決めるアルゴリズムとして、ＵＶＩによって、ビーム追従するための測定周期を最適化することができる。通信端末の低速移動時は、長い周期でビーム追従のための測定を行うことによって、ＰＤＳＣＨを割り当てる時間を多く取ることができる。また、通信端末の高速移動時は、短い周期でビーム追従のための測定を行い、通信端末を正確にビーム追従することができるようになる。

他の例として、基地局がＰＵＳＣＨを受信するときに、復調処理に使用するチャネル推定などのフィルター忘却係数を、ＵＶＩから最適化してもよい。通信端末の低速移動時は、長いフィルターを使用できるが、高速移動時は短いフィルター、もしくはフィルターを使用しないように最適化することができる。

このＵＶＩは、ＢＷＩと同じように、ＲＲＣメッセージを使用して、基地局に通知してもよいし、ＰＵＣＣＨおよびＭＡＣのヘッダの一部などを使用して基地局へ通知してもよい。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４の通信システムは、前述の実施の形態１の通信システムと構成が類似するので、共通する説明および図示を省略する。

実施の形態１では、通信端末がドップラー周波数を推定し、移動速度を算出する。そして、通信端末は、推定したドップラー周波数および算出した移動速度を用いて、ＢＷＩを選択し、基地局に通知する。

これに対し、本実施の形態では、時分割複信（Time Division Duplex；略称：ＴＤＤ）の可逆性を利用して、通信端末ではなく、基地局がドップラー周波数を推定し、移動速度を算出し、ＢＷＩを選択する。基地局が、上りリンクのチャネル推定の回転量から、ドップラー周波数を推定する。

ＴＤＤの場合、同じ下りリンクと上りリンクとが同一周波数で、時間的に切り替えて使用するシステムであるので、上りリンクで基地局が推定したドップラー周波数と、下りリンクで通信端末が推定したドップラー周波数とが可逆性によって等価なものとなる。

これによって、通信端末からのフィードバック情報を必要とせず、基地局だけでＢＷＩを選択し、ビーム幅を決定することができ、制御を簡易にすることができる。

前述の各実施の形態およびその変形例は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において、各実施の形態およびその変形例を自由に組合せることができる。また各実施の形態およびその変形例の任意の構成要素を適宜変更または省略することができる。

１００１ 基地局、１００２ アレーアンテナ部、１００３ 制御部、１００４ 変調部、１００５ Ｄ／Ａ変換部、１００６ 復調部、１００７ Ａ／Ｄ変換部、１００８ 周波数変換部、１００９ ビーム幅選択部。

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムであって、
   前記基地局装置は、
   前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成可能であり、
   各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする通信システム。
2. 複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムを構成する前記基地局装置であって、
   前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成可能であり、
   各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする基地局装置。
3. 複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な複数の通信端末装置とを備える通信システムを構成する前記通信端末装置であって、
   前記基地局装置の前記多素子アンテナから送信されるビーム幅の異なる複数の指向性ビームを受信すると、受信した前記指向性ビームに関するフィードバック情報を、前記基地局装置に送信することを特徴とする通信端末装置。
4. 複数のアンテナ素子で構成される多素子アンテナを用いて信号の送受信を行う基地局装置と複数の通信端末装置との間で無線通信を行う通信方法であって、
   前記基地局装置は、
   前記多素子アンテナによって、ビーム幅の異なる複数の指向性ビームを形成するとき、各前記通信端末装置から与えられるフィードバック情報に基づいて、各前記通信端末装置に対する送受信に用いる前記指向性ビームのビーム幅を制御することを特徴とする通信方法。

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