JP2022017893A - 通信中継装置およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】基地局と移動局の間を中継するシステムにおいて、通信品質の向上に寄与する通信中継装置およびコンピュータプログラムを提供する。
【解決手段】実施形態の通信中継装置は、アンテナと、信号強度検出部と、第１のサーチ部と、第２のサーチ部を備える。アンテナは、任意の方向に電波のビームを形成し、信号強度検出部は、アンテナが受信した信号強度を検出し、第１のサーチ部は、アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、移動局が存在する方向を検出し、第２のサーチ部は、アンテナが形成するビームの方向を、第１の範囲よりも狭い第２の範囲で変化させ、信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、移動局が存在する方向を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明の実施形態は、通信中継装置およびコンピュータプログラムに関する。

2020年に日本国内においても５Ｇ（第５世代移動通信システム）による携帯電話の商用サービスがスタートした。５Ｇにおいて注目される技術の１つとしてビームフォーミングがある。これは１つのアンテナ上の複数のアンテナ素子を協調動作させ、任意の方向に電波のビームを形成することで、カバーエリアの拡大や複数ユーザとの同時通信によるセル容量拡大を実現する機能であり、一般的には超多素子のアンテナ（Massive MIMO）との組合せにより実現される。

ところで、５Ｇ以前より、移動通信システムの屋内のカバーエリア対策として、DAS（Distributed Antenna System）システムが用いられている。DASシステムは、移動局と基地局との間を中継するものであって、親機と分散配置された複数の子機からなる。親機は、１つの基地局の信号を複数の子機に分配し、各子機は、それぞれのアンテナから同一の下り信号を出力することで、１つのセルとしてエリアを構築する。

５ＧシステムにDASシステムを単純に適用した場合、前述のように、各子機からは同じ信号が出力され、分散配置された子機によってそれぞれ形成されるビームも共通の方向を指向するので、必ずしもカバーエリア内の移動局が存在する方向に向いたものとはならない。

特許第６５６７４３８号公報

本発明が解決しようとする課題は、通信品質の向上に寄与する通信中継装置およびコンピュータプログラムを提供することである。

実施形態の通信中継装置は、アンテナと、信号強度検出部と、第１のサーチ部と、第２のサーチ部を備える。アンテナは、任意の方向に電波のビームを形成し、信号強度検出部は、アンテナが受信した信号強度を検出し、第１のサーチ部は、アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、移動局が存在する方向を検出し、第２のサーチ部は、アンテナが形成するビームの方向を、第１のサーチ部が検出した方向を含み、かつ第１の範囲よりも狭い第２の範囲で変化させ、信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、移動局が存在する方向を検出する。

通信中継システムを含む移動通信システムを示す図。 図１に示した親機の構成例を示す図。 図１に示した子機の構成例を示す図。 図１に示した子機によるビームフォーミングの例を示す図。 図１に示した子機による移動局のサーチ例を示す図。 図１に示した親機の処理を説明するためのフローチャート。 図１に示した子機による移動局の高速サーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局の低速サーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局の追尾サーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局の追尾サーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局のサーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局のサーチ例を示す図。 図１に示した子機による移動局のサーチ例を示す図。

以下、図面を参照して、一実施形態に係わる通信中継システムについて説明する。
図１は、第５世代移動通信システム、いわゆる５Ｇの一部を示すものである。この移動通信システムは、５Ｇコアネットワーク（5th Generation Core network）５ＧＣと、無線アクセスネットワークＮＲ（New radio）を備える。図１の例では、無線アクセスネットワークＮＲに、通信中継システムを含む場合を示している。

５Ｇコアネットワーク５ＧＣは、無線アクセスネットワークＮＲを制御し、トラフィックを束ねて外部のネットワーク（インターネットＩＮ、外部の電話網ＥＮなど）とやりとりを行うものであり、その中枢としてコア装置Ｃを備える。コア装置Ｃは、例えば、認証・セキュリティ管理、セッション管理、ポリシー制御、パケット転送等を行う。

一方、無線アクセスネットワークＮＲは、複数の基地局装置（例えば、図１のｇＮＢ（gNodeB）１、ｇＮＢ２）を備える。基地局装置ｇＮＢ１、ｇＮＢ２は、コア装置Ｃによって制御され、それぞれ移動局ＵＥ（User Equipment）と通信可能な無線通信エリア（いわゆる、セル）を形成する。

より具体的には、基地局装置ｇＮＢ１は、ビルの屋上や専用の鉄塔に設けられたアンテナ装置ＡＮを通じて移動局ＵＥと無線通信し、移動局ＵＥをコア装置Ｃを通じて５Ｇコアネットワーク５ＧＣに接続する。また基地局装置ｇＮＢ１は、アンテナ装置ＡＮ上の多数のアンテナ素子における信号の位相を制御するマッシブMIMO（Massive MIMO）によってビームフォーミングを行い、通信容量の増大などに寄与している。

基地局装置ｇＮＢ２は、基地局装置ｇＮＢ１と同様の機能を備えるが、アンテナ装置ＡＮの代わりに分散アンテナシステムＤＡＳを通じて、移動局ＵＥと無線通信し、移動局ＵＥをコア装置Ｃを通じて５ＧコアネットワークＮＷに接続する。

分散アンテナシステムＤＡＳは、通信中継システムの一例であって、特殊な場所（例えば、建造物や地下街、その他構造物の内部、過疎地あるいは過密地、鉄塔建設が困難や制限のある地域、イベント会場などといったアンテナ装置ＡＮの非常設場所など）において、アンテナ装置ＡＮに比して相対的に小規模な無線通信エリアを形成するために用いられ、図１に示すように、親機ＭＵ（Master Unit）、子機ＲＵ（Remote Unit）１～ＲＵ３、アンテナＡＮ１～ＡＮ３を備える。

親機ＭＵは、当該分散アンテナシステムＤＡＳの各部を統括して制御するものであって、アンテナ（ＡＮ１～ＡＮ３）および子機（ＲＵ１～ＲＵ３）を介して接続される移動局ＵＥを、基地局装置ｇＮＢ２と通信可能にする通信中継装置としての役割を担うものである。なお、親機ＭＵは、子機ＲＵ１～ＲＵ３と光通信回線によって接続される場合、一般に、光リピータと称されることもある。

アンテナＡＮ１～ＡＮ３は、それぞれ対応する子機ＲＵ１～ＲＵ３に１対１で接続され、それぞれ多数のアンテナ素子からなり、送信ＲＦ信号および／または受信ＲＦ信号の位相調整により指向性が制御（ビームフォーミング）されるマッシブMIMO（Massive MIMO）に対応したものである。

この実施形態では、説明を簡明にするために、各アンテナＡＮ１～ＡＮ３は、同時に最大で４個のビームをそれぞれ任意の方向に形成するビームフォーミングを行うものとして説明し、後に詳述する親機ＭＵについても、説明を簡明にするために、上記４個のビームに対応した同時に最大で４個のストリームを処理（中継）するものとして説明する。

なお、実際の装置では、最大４個に限定されるものではなく、３以下や５以上でもよい。また各アンテナＡＮ１～ＡＮ３が形成するビーム数は、固定したものでなく、使用するアンテナ素子数を可変するなどして動的に変化させてもよい。

子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれ対応するアンテナＡＮ１～ＡＮ３に１対１で接続されるとともに、親機ＭＵと光通信回線を介して通信できるように接続可能なものである。接続方式としては、図１に示すように、子機ＲＵ１～ＲＵ３がディジーチェーン（Daisy Chain）方式により親機ＭＵに接続される以外に、子機ＲＵ１～ＲＵ３がそれぞれ直接、親機ＭＵに接続される方法（図示しない）も考えられる。

また子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれ対応するアンテナＡＮ１～ＡＮ３に対して位相調整によるビームフォーミングを行うことが可能であるとともに、受信強度の計測とビームフォーミングによって、移動局ＵＥが存在する方向を検出（サーチ）し、移動する移動局ＵＥを追随して通信することができる。

ビームフォーミングについてより具体的には、アップリンクについて子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれ対応するアンテナＡＮ１～ＡＮ３によって得られた各ＲＦ信号に対して位相調整（ビームフォーミング）を行う。この例では、各アンテナＡＮ１～ＡＮ３より、それぞれ最大４個のビームに対応する受信ＲＦ信号を得る。

そして子機ＲＵ１～ＲＵ３は、各ビームに対応する受信ＲＦ信号をダウンコンバートし、同時に最大で４個のビームにそれぞれ対応する４個の受信信号に復調する。そして、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれ復調した受信信号をシリアルに束ねた後、電気信号から光信号に変換（光搬送波を変調）して、上記光通信回線を通じて親機ＭＵに伝送する。なお、上記受信信号に含まれるストリームをＵＬストリーム信号と称する。

一方、ダウンリンクについて子機ＲＵ１～ＲＵ３は、上記光通信回線を通じて親機ＭＵから伝送される光信号を電気信号に変換して、同時に最大で４個のストリームにそれぞれ対応する信号（以下、ＤＬストリーム信号と称する）に復調する。

そして、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、上記ＤＬストリーム信号を用いて搬送波を変調した送信ＲＦ信号を生成して、この送信ＲＦ信号をそれぞれ接続されたアンテナＡＮ１～ＡＮ３に出力して空間に放射する。なお、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれ同時に最大で４個のビームを形成するビームフォーミングが可能であり、ＤＬストリーム信号毎にビームを形成して送信を行う。すなわち、復調によって４個のＤＬストリーム信号が得られた場合には、４つのビームを形成し、各ビームが１つのＤＬストリーム信号を送信する。

次に、親機ＭＵについて詳細に説明する。図２は、親機ＭＵの構成例を示すものである。すなわち、親機ＭＵは、ポートＰ、制御部１００、伝送部１１０、ＵＬ（Up Link）信号処理部１２０、ＤＬ（Down Link）信号処理部１３０を備える。

ポートＰは、光通信回線を収容し、この光通信回線を介して子機ＲＵ１～ＲＵ３と接続可能であるとともに、ＵＬ信号処理部１２０とＤＬ信号処理部１３０に接続される。なお、図２の例では、光通信回線を介して物理的に直接接続されるのは子機ＲＵ１であるが、上記光通信回線には、子機ＲＵ２、ＲＵ３との間でやり取りされる光信号も多重化されているため、ポートＰは、実質的に、子機ＲＵ２、ＲＵ３と接続されており、いずれの子機ＲＵ１～ＲＵ３とも光信号の送受信が可能である。

またアップリンクについてポートＰは、子機ＲＵ１から送られる光信号を逆多重化して、複数の光信号に分離し、各光信号を電気信号に変換して復調し、複数の電気通信信号を得る。この複数の電気通信信号は、子機ＲＵ１～ＲＵ３の各ビーム（あるいはＵＬストリーム信号）にそれぞれ対応する受信信号であって、パラレルにＵＬ信号処理部１２０に出力される。

そしてまたポートＰは、各受信信号から子機ＲＵ１～ＲＵ３より送られた情報を取得する情報検出部として機能し、上記復調された各受信信号を監視し、この受信信号に含まれる移動局ＵＥからの通信開始要求（ＰＲＡＣＨ）の検出や、各受信信号（ＵＬストリーム信号）に割り当てられたストリームＩＤの検出を行う。また、ポートＰは、位置検出部として機能し、上記検出結果などから、各子機ＲＵ１～ＲＵ３が形成するカバーエリア内に位置する移動局ＵＥの存在を検出する。これらの検出結果は、制御部１００に通知される。

一方、ダウンリンクについてポートＰ１は、ＤＬ信号処理部１３０からそれぞれ同時に最大で４個のＤＬストリーム信号が入力される。そして、ポートＰは、入力されたＤＬストリーム信号にあて先となる子機ＲＵ１～ＲＵ３の識別情報を付加して、電気信号から光信号に変換（光搬送波の変調）して、これらの光信号を多重化して上記光通信回線を通じて子機ＲＵ１～ＲＵ３に伝送する。

伝送部１１０は、基地局装置ｇＮＢ２に接続される通信回線を収容し、この通信回線を通じて基地局装置ｇＮＢ２と通信を行うものである。具体的には、アップリンクについて伝送部１１０は、ＵＬ信号処理部１２０から入力されたＵＬ信号（同時に最大４個）を基地局装置ｇＮＢ２に伝送する。一方、ダウンリンクについて伝送部１１０は、上記通信回線を通じて基地局装置ｇＮＢ２から伝送されるＤＬストリーム信号（同時に最大４個）を受信し、ＤＬ信号処理部１３０に出力する。

ＵＬ信号処理部１２０は、制御部１００の制御にしたがって、ポートＰから入力される各ビームの受信信号を加算する信号加算処理を施し、ＵＬ信号として伝送部１１０に出力する。
ＤＬ信号処理部１３０は、制御部１００の制御にしたがって、伝送部１１０から入力されるＤＬストリーム信号を多重化してポートＰに出力する多重化処理を施す。

制御部１００は、親機ＭＵの各部を統括して制御する制御中枢であって、制御プログラムや制御データを記憶するメモリ（図示しない）と、上記制御プログラムおよび上記制御データに基づく処理を実行するプロセッサ（図示しない）を備え、これらにより各種制御機能を実現する。

具体的な制御としては、制御部１００は、子機ＲＵ１～ＲＵ３を通じた移動局ＵＥと基地局装置ｇＮＢ２との間の通信中継制御を行うとともに、ポートＰから通知される検出結果や、基地局装置ｇＮＢ２から伝送されるＤＬストリーム信号などに基づいて、子機ＲＵ１～ＲＵ３に対し、ストリームの割り当て制御やハンドオーバ制御を行う。

ストリームの割り当て制御では、子機ＲＵ１～ＲＵ３の能力（対応できるストリーム数など）、現時点で割り当てているストリーム数などを含む子機情報や移動局ＵＥの位置情報などを含む移動局情報を記憶および管理（更新）し、この子機情報や移動局情報に基づいて、子機ＲＵ１～ＲＵ３に対してストリームの割り当てを行う。

また、ハンドオーバ制御では、ポートＰから通知される検出結果に基づいて、移動局ＵＥと通信すべき子機ＲＵ１～ＲＵ３の変更の必要性の判定を行い、この判定結果に基づいて、各子機ＲＵ１～ＲＵ３および移動局ＵＥに対して子機間のハンドオーバの指示を行う。

より具体的には、例えば、各ＲＵ１～ＲＵ３から通知される移動局ＵＥからの受信信号の信号強度を比較し、通信中の子機から通知される信号強度が予め設定した第１の閾値を下回り、かつ、別の子機から通知される同じ移動局ＵＥの信号強度が第２の閾値を超える場合に、上記別の子機へハンドオーバを行うように、両子機に対して指示を行う。ハンドオーバの必要性の判定条件については、この例に限ったものではなく、設置環境などに応じて多様なものが考えられ、それを適用してもよい。

次に、子機ＲＵ１～ＲＵ３について、詳細に説明する。なお、以下において、説明の冗長と構成の対応関係の混乱を避けるために、「子機ＲＵｎ」と表記して説明する。「子機ＲＵｎ」として説明する場合、子機ＲＵ１～ＲＵ３のいずれにも共通した説明である。すなわち、以下の説明において、「ｎ」を１～３のいずれとして読むことができる。

図３は、子機ＲＵｎ（ＲＵ１～ＲＵ３）の構成例を示すものである。すなわち、子機ＲＵｎは、制御部２００、通信部２１０、信号処理部２２０、無線通信部２３０、記憶部２４０、アンテナＡＮｎを備える。

通信部２１０は、光通信回線を通じて光通信信号を送受信するものであって、収容するポートを少なくとも２つ備え、一方のポートに収容する光通信回線を通じて受信した光通信信号を増幅して、他方のポートに収容する光通信回線を通じて送信する光通信中継器としての機能と、光信号と電気信号との間を相互に変換する変復調器としての機能を備える。

なお、変復調器としては、光通信回線を通じて光信号を受信し、光／電変換して電気的な通信信号（ＤＬストリーム信号）を得る光／電変換機能と、後述する信号処理部２２０から入力された電気的な通信信号（ＵＬストリーム信号）を光通信信号に電／光変換して、光通信回線を通じて送信する電／光変換機能を備える。

信号処理部２２０は、基地局装置ｇＮＢ２と所定の通信プロトコルにしたがって通信を行うものである。当該システムの下り方向については、通信部２１０にて得られた通信信号を復調および復号して、当該子機ＲＵｎ宛てのＤＬストリーム信号を検出し、制御部２００に出力する。一方、当該システムの上り方向については、制御部２００から与えられた基地局装置ｇＮＢ２宛ての信号を搬送波の変調に用いてＵＬストリーム信号を生成し、通信部２１０に出力する。

無線通信部２３０は、アンテナＡＮｎを通じて、移動局ＵＥと無線通信を行うものであって、無線アクセス方式としては、５Ｇに準拠した方式を採用する。このため、移動局ＵＥは、分散アンテナシステムＤＡＳを通じて通信を行う場合でも、図１に示したアンテナＡＮを通じて基地局装置ｇＮＢ１と通信する場合と同じ無線アクセス方式により無線通信を行うことができる。

また無線通信部２３０は、制御部２００の指示にしたがって、アンテナＡＮｎ上の多数のアンテナ素子における信号（送信ＲＦ信号および／または受信ＲＦ信号）の位相を制御するマッシブMIMOによってビームフォーミングを行う。
そしてまた無線通信部２３０は、移動局ＵＥからの受信信号強度（例えば、ＲＳＳＩ）を計測し、この計測結果を移動局ＵＥの識別情報に対応付けて、制御部２００に通知する。

制御部２００は、子機ＲＵｎの各部を統括して制御する制御中枢であって、ワークメモリ（図示しない）と、後述する記憶部２４０からワークメモリに読み込んだ制御プログラムおよび制御データなどに基づいて処理を実行するプロセッサ（図示しない）を備え、これらにより、各種制御機能を実現する。

具体的な制御機能として制御部２００は、当該子機ＲＵｎと無線接続される移動局ＵＥを、親機ＭＵおよび基地局装置ｇＮＢ２を介して５Ｇコアネットワーク５ＧＣに接続する通信制御機能の他に、少なくとも、ビームフォーミング制御機能２００ａ、サーチ制御機能２００ｂ、ハンドオーバ制御機能２００ｃを備えるとともに、これらの機能を統合して実行する処理機能を備える。

ビームフォーミング制御機能２００ａは、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御し、移動局ＵＥに割り当てたストリーム数などに応じて、所定のアルゴリズムにしたがったビームフォーミングを行う。

図４に、ビームフォーミングの一例を示す。この例では、アンテナＡＮｎは、例えば図４（ａ）に示すように、多数のアンテナ素子が４つのストリームに対応するように、４つのグループＧｒ１～Ｇｒ４に分けられ、各グループごとに任意の方向に指向性を制御できるものとする。

１つの移動局ＵＥがアンテナＡＮｎのカバーエリア内に存在し、２つのストリームを上記移動局ＵＥに割当てる場合、例えば、図４（ｂ）に示すように、グループＧｒ１によるストリームと、グループＧｒ２によるストリームを移動局ＵＥの存在する方向に指向させるビームフォーミングを行う。

また、１つの移動局ＵＥがアンテナＡＮｎのカバーエリア内に存在し、４つのストリームを上記移動局ＵＥに割当てる場合、例えば、図４（ｃ）に示すように、グループＧｒ１～Ｇｒ４による各ストリームを移動局ＵＥの存在する方向に指向させるビームフォーミングを行う。

サーチ制御機能２００ｂは、無線通信部２３０を制御して、移動局ＵＥが存在する方向および距離をサーチし、推定（検出）する。具体的には、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御して、例えば、図５（ａ）に示すように、ビームの指向する方向を任意の範囲で２０ｍｓごとに繰り返して掃引し、この間、無線通信部２３０が逐次検出する受信信号強度を監視して、移動局ＵＥが存在する方向と距離を検出する。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した各ビームのタイミングを示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

ハンドオーバ制御機能２００ｃは、親機ＭＵと連携して、子機ＲＵ１～ＲＵ３間で移動局ＵＥのハンドオーバを実現する制御機能である。より具体的には、無線通信部２３０が逐次検出する受信信号強度を親機ＭＵに通知し、親機ＭＵ（のハンドオーバ制御機能）からの指示にしたがって、通信中の移動局ＵＥとの通信を終了したり（例えば、カバーエリア外方向への移動時）、あるいは、新たに移動局ＵＥとの通信を開始する（例えば、カバーエリア内方向への移動時）。

記憶部２４０は、制御部２００が使用する制御プログラムおよび制御データを記憶するとともに、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａを記憶する。上記制御プログラムおよび上記制御データは、製造時に予めインストールされる他、工注設定時に図示しない外部インタフェースを通じてインストールや更新が行われたり、コア装置Ｃなどの５Ｇコアネットワーク５ＧＣ上のサーバと通信してインストールや更新が行われる。

ＵＥ位置情報テーブル２４０ａは、子機ＲＵｎのカバーエリア内に存在する移動局ＵＥの位置情報を記録したデータテーブルであって、移動局ＵＥの識別情報、位置情報、更新日時などの情報が対応づけられて記憶される。位置情報の例としては、例えば、前述したアンテナ素子のグループＧｒ１～Ｇｒ４の識別情報とビームの指向する方位情報、推定した距離の情報などを組み合わせたものが考えられるが、これらに限定されるものではない。

次に、動作について説明する。以下の説明では特に、分散アンテナシステムＤＡＳの子機ＲＵｎにおける移動局ＵＥのサーチ制御とストリーム割り当てについて説明する。図６は、子機ＲＵｎの制御部２００の制御フローを説明するためのフローチャートである。

分散アンテナシステムＤＡＳの運用が開始されると、子機ＲＵｎにおいては、制御部２００が、いくつかの制御フローを並行して実行するが、その１つが図６に示す制御フローである。図６に示す制御フローは、子機ＲＵｎの動作が停止されるか、親機ＭＵなどから停止命令があるまで、繰り返し実行される。

まず、ステップ６０１において制御部２００は、タイマＴを起動、あるいは再起動するとともに、ワークメモリに記憶するタイムアウトフラグＦのパラメータにＯＦＦを意味する値を設定し、ステップ６０２に移行する。すなわち、制御部２００は、ステップ６０１に移行した時点より、タイマＴによりタイムカウントを開始、あるいは再開する。

ステップ６０２において制御部２００は、親機ＭＵから、移動局ＵＥに対して新しいストリームの割り当てを受けているか否かを判定する。なお、ここでいう新しいストリームとは、親機ＭＵからの要求によって新たに通信を行うためのストリームである。ここで、新しいストリームの割り当てを受けている場合には、ステップ６０６に移行し、一方、新しいストリームの割り当てを受けていない場合には、ステップ６０３に移行する。

ステップ６０３において制御部２００は、移動局ＵＥから新しい通信開始の要求が発生しているか否かを判定する。なお、ここでいう新しい通信開始の要求とは、移動局ＵＥからの要求によって新たに通信を行うための要求を意味する。ここで、新しい通信開始の要求が発生している場合には、ステップ６０６に移行し、一方、新しい通信開始の要求が発生していない場合には、ステップ６０４に移行する。

ステップ６０４において制御部２００は、ステップ６０１で起動したタイマＴをチェックし、ステップ６０１から予め設定した時間ｔが経過したか否かを判定する。ここで、時間ｔを経過している場合には、ステップ６０５に移行し、一方、経過していない場合には、再びステップ６０２に移行する。

ステップ６０５において制御部２００は、前述のタイムアウトフラグＦのパラメータにＯＮを意味する値を設定し、ステップ６０７に移行する。この設定（ＯＮ設定）によりタイムアウトフラグＦは、後段のステップ６０７～６０９の処理が、ステップ６０４でタイムアウトしたことをきっかけに実行されたものであることを示す。

ステップ６０６において制御部２００は、記憶部２４０が記憶するＵＥ位置情報テーブル２４０ａを参照し、このテーブルに含まれる更新日時を現在時刻と比較して、予め設定した時間が経過したか否かを判定する。

ここで、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａに情報がなかったり、あるいは、予め設定した時間が経過している場合には、ステップ６０７に移行する。一方、予め設定した時間が経過していない場合にはステップ６１１に移行する。

すなわち、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａに移動局ＵＥの位置情報がなかったり、あるいは、位置情報が古いには、移動局ＵＥのサーチが必要と判定し、ステップ６０７に移行して、移動局ＵＥのサーチを行う。一方、参照可能な移動局ＵＥの位置情報がＵＥ位置情報テーブル２４０ａにある場合には、ステップ６１１に移行して、ストリームの割り当てを行う。

ステップ６０７において制御部２００は、サーチ制御機能２００ｂを使用して、移動局ＵＥが存在する方向を検出するための高速サーチを実行し、ステップ６０８に移行する。
具体的には、制御部２００は、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御して、例えば、図７（ａ）に示すように、ビームの指向する方向（例えば、水平方向）の可変範囲を約１２０°に設定し、図７（ｂ）に示すように２０ｍｓごとに繰り返して掃引し、この間、無線通信部２３０が逐次検出する受信信号強度を監視して、移動局ＵＥの識別情報と移動局ＵＥが存在する方向や距離を検出する。なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

またこの高速サーチは、アンテナＡＮｎ上のアンテナ素子の４つのグループＧｒ１～Ｇｒ４毎に独立して実施される。各グループＧｒ１～Ｇｒ４がサーチする方位は、工注設定時に任意に作業員が設定したり、記憶部２４０に累積的に記憶させた移動局ＵＥの位置情報の統計データや学習データに基づいて、サーチ制御機能２００ｂが自ら設定したり、設定を見直す更新を行うようにしてもよい。

ステップ６０８において制御部２００は、サーチ制御機能２００ｂを使用して、移動局ＵＥが存在する方向をより高い精度で検出するための低速サーチを実行し、ステップ６０９に移行する。
具体的には、制御部２００は、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御して、例えば、図８（ａ）に示すように、ビームの指向する方向（例えば、水平方向）の可変範囲を、高速サーチ時の約１２０°よりも狭い約９０°に設定し、図８（ｂ）に示すように２０ｍｓごとに繰り返して掃引し、この間、無線通信部２３０が逐次検出する受信信号強度を高速サーチと同じ頻度で監視して、移動局ＵＥの識別情報と移動局ＵＥが存在する方向や距離を検出する。なお、図７と同様に、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

またこの低速サーチは、アンテナＡＮｎ上のアンテナ素子の４つのグループＧｒ１～Ｇｒ４毎に独立して実施される。各グループＧｒ１～Ｇｒ４がサーチする方位は、ステップ６０７の高速サーチで検出した方向を中心に行うようにする。なお、サーチする方向の範囲を、工注設定時に作業員が限定したり、記憶部２４０に累積的に記憶させた移動局ＵＥの位置情報の統計データや学習データに基づいてサーチ制御機能２００ｂが自ら限定したり、限定の範囲を見直すようにしてもよい。

なお、ステップ６０８に移行した時点で、ワークメモリに記憶するタイムアウトフラグＦのパラメータを参照し、ＯＮを意味する値が設定されている場合には、ステップ６０８の低速サーチをスキップして、ステップ６０９に移行するようにしてもよい。すなわち、タイムアウトした場合には、より高い精度のサーチを省略するようにしてもよい。

ステップ６０９において制御部２００は、ステップ６０８で検出した移動局ＵＥの識別情報と、存在する方向や距離の情報（位置情報）、検出時の時刻（更新日時）とを対応づけて、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａに記録し、ステップ６１０に移行する。なお、ここで、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａに、同じ移動局の情報が存在する場合には、上書きして保存するようにしてもよいし、累積的にログとして一定期間（一定回数）の情報を保存するようにしてもよい。このログは、前述の学習データとして制御部２００が使用することができる。

ステップ６１０において制御部２００は、ワークメモリに記憶するタイムアウトフラグＦのパラメータを参照し、ＯＮを意味する値が設定されているか否かを判定する。ここで、ＯＮを意味する値が設定されている場合には、ステップ６０１に移行し、一方、ＯＦＦを意味する値が設定されている場合には、ステップ６１１に移行する。

すなわち、ＯＮを意味する値が設定されている場合には、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａの情報の更新に留め、一方、ＯＦＦを意味する値が設定されている場合には、後段のストリーム割り当ての処理に移行する。

ステップ６１１において制御部２００は、移動局ＵＥに対してストリームの割り当てを行い、ステップ６１２に移行する。具体的には、ステップ６０２にて親機ＭＵから新しいストリームの割り当てを受けていると判定した場合には、親機ＭＵから通知されたストリームのＩＤを移動局ＵＥに対して割り当て、一方、ステップ６０３にて移動局ＵＥから新しい通信開始の要求が発生した場合には、その移動局ＵＥに対して空いているストリームのＩＤを割り当てる。なお、空いているストリームのＩＤは、親機ＭＵから制御部２００が予め定期的に通知を受けているものとする。

ステップ６１２において制御部２００は、ステップ６１１で移動局ＵＥに割り当てたストリームのために、ビームフォーミング制御機能２００ａを使用して、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御し、所定のアルゴリズムにしたがったビームフォーミングを行い、ステップ６１３に移行する。

具体的には、制御部２００は、ＵＥ位置情報テーブル２４０ａを参照し、ステップ６１１でストリームを割り当てた移動局ＵＥの識別情報と、それに対応づけられた位置情報に基づいて、この移動局ＵＥが存在する方向に指向したビームを形成する。

ステップ６１３において制御部２００は、無線通信部２３０を制御して、ステップ６１１でストリームを割り当てた移動局ＵＥとの無線通信リンクを確立するとともに、信号処理部２２０を制御して、上記移動局ＵＥのための通信リンクをコア装置Ｃとの間に確立し、これらのリンクを通じて移動局ＵＥをコア装置Ｃに接続して、ステップ６１４に移行する。以後、移動局ＵＥとコア装置Ｃとの間では、ステップ６１１で割り当てたストリームを介した通信が開始される。

ステップ６１４において制御部２００は、ステップ６１３で確立した無線通信リンクを維持するために、サーチ制御機能２００ｂを使用して、移動局ＵＥが存在する方向を追尾するための低速サーチを行い、ステップ６１５に移行する。

具体的には、無線通信部２３０によるマッシブMIMOを制御して、例えば、図９（ａ）に示すように、ビームの指向する方向（例えば、水平方向）の可変範囲を、ステップ６０８の低速サーチ時の約９０°よりも狭い、追尾可能な範囲（図９（ａ）の例では、約４５°）に設定する。

そして制御部２００は、図９（ｂ）に示すように２０ｍｓごとに繰り返して掃引し、この間、無線通信部２３０が逐次検出する受信信号強度を監視して、移動局ＵＥの識別情報と移動局ＵＥが存在する方向を検出する。図９（ｂ）は、図８と同様に、図９（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、図９（ａ）と図９（ｂ）における濃淡の一致が対応関係を示している。

なお、上記可変範囲は、制御部２００が、移動局ＵＥの移動について学習したデータに基づいて、可変するようにしてもよい。また子機ＲＵｎと移動局ＵＥとの距離を受信信号強度から推定し、上記可変範囲を可変するようにしてもよい。この場合、受信信号強度が相対的に高い場合には、子機ＲＵｎと移動局ＵＥとの距離が近いと判定し、上記可変範囲を広め、一方、受信信号強度が相対的に低い場合には、子機ＲＵｎと移動局ＵＥとの距離が遠いと判定し、上記可変範囲を狭める。

ステップ６１５において制御部２００は、ビームフォーミング制御機能２００ａを使用して、ステップ６１４で検出した方向に指向するビームを形成するビームフォーミングを行って、ステップ６１３で確立した無線通信リンクを維持し、ステップ６１６に移行する。

なお、ステップ６１４において制御部２００は、移動局ＵＥの移動方向を推定し、ステップ６１５において制御部２００は、ステップ６１４の推定結果に基づく方向に指向したビームを形成するビームフォーミングを行うようにしてもよい。例えば、図１０（ａ）に示すように、移動局ＵＥが移動すると、制御部２００は、各ビームの受信信号強度や、各方位の受信信号強度の大小関係やその変化などから移動局ＵＥの移動方向を推定できる。

ステップ６１６において制御部２００は、ステップ６１３で開始した通信が終了したか否かを判定する。ここで、通信が終了した場合には、新たに当該処理をステップ６０１より開始し、一方、通信が終了していない場合には、ステップ６１４に移行して、引き続き、無線通信リンクを維持するためにビームフォーミングを継続する。

以上のように、上記構成の通信中継システムでは、子機ＲＵ１～ＲＵ３毎に、ビームの指向方向を可変させ、移動局ＵＥから受信した信号強度に基づいて、移動局ＵＥが存在する方向や距離を検出するようにしている。
したがって、上記構成の通信中継システムによれば、子機ＲＵ１～ＲＵ３がそれぞれのカバーエリアに存在する移動局ＵＥの位置を検出することができる。

また上記構成の通信中継システムでは、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、広範な方向にビームを指向させて移動局ＵＥの位置を検出する高速サーチと、この高速サーチより狭小な方向にビームを指向させて移動局ＵＥの位置をより高い精度で検出する低速サーチを連続的に行うようにしている。
したがって、上記構成の通信中継システムによれば、子機ＲＵ１～ＲＵ３がそれぞれのカバーエリアに存在する移動局ＵＥの位置を効率的に検出することができる。

また上記構成の通信中継システムでは、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、ビームの指向する方向を可変して、移動局ＵＥを追尾するようにしている。
したがって、上記構成の通信中継システムによれば、子機ＲＵ１～ＲＵ３がそれぞれのカバーエリアに存在する移動局ＵＥと安定した通信を行うことができる。

また上記構成の通信中継システムでは、子機ＲＵ１～ＲＵ３は、それぞれが有するアンテナＡＮ１～ＡＮ３上のアンテナ素子を４つのグループＧｒ１～Ｇｒ４に分け、グループＧｒ１～Ｇｒ４毎に独立してビームの指向する方向を可変して、移動局ＵＥを追尾するようにしている。

したがって、上記構成の通信中継システムによれば、例えば図１１（ａ）に示すように、アンテナＡＮｎに対しておおむね同じ方位に、複数の移動局ＵＥ１、ＵＥ２が存在する場合でも、２つのグループＧｒ１、Ｇｒ２がそれぞれに設定された方向についてサーチすることができる。
なお、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、図１１（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

またこの場合、２つのグループＧｒ１、Ｇｒ２は、制御部２００によって互いに独立して制御されるので、例えば図１２（ａ）に示すように、グループＧｒ１が図６のステップ６１４により移動局ＵＥ１を追尾のための低速サーチを行っている際に、グループＧｒ２が図６のステップ６０７により移動局ＵＥ２を高速サーチすることができる。
なお、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記実施の形態では、説明を簡明にするために、アンテナ素子の１つのグループが１つの移動局ＵＥをサーチする場合を例に挙げて説明したが、２つ以上の移動局を１つのアンテナグループがサーチするするようにしてもよい。

具体的には、例えば図１３に示すように、アンテナＡＮｎ上のグループＧｒ１が２つの移動局ＵＥ１、ＵＥ２をサーチする。この場合、図１３（ｂ）に示すように、受信信号強度は２つのピークが現れるため、制御部２００は、受信信号強度のピークを検出することで、移動局が存在する個数と、その方向を検出することができる。
なお、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示した各ビームに対応する受信信号強度を示したものであり、両図における濃淡の一致が対応関係を示している。

また例えば、上記実施の形態では、ステップ６０７の高速サーチ、ステップ６０８の低速サーチおよびステップ６１４の低速サーチにおいて、図７、図８、図９に例示したように、同じアンテナグループについてビームの指向する方向の範囲を制御する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、ステップ６０７の高速サーチ、ステップ６０８の低速サーチおよびステップ６１４の低速サーチにおいて、一部あるいは全部について、使用するアンテナグループを異ならせてもよい。すなわち、例えば、ステップ６０７の高速サーチ、ステップ６０８の低速サーチでは、グループＧｒ１を使用し、ステップ６１４の低速サーチでは、グループＧｒ２を使用する。あるいは、ステップ６０７の高速サーチでは、グループＧｒ１を使用し、ステップ６１４の低速サーチおよびステップ６０８の低速サーチでは、グループＧｒ２を使用する。あるいは、ステップ６０７の高速サーチおよびステップ６１４の低速サーチでは、グループＧｒ１を使用し、ステップ６０８の低速サーチでは、グループＧｒ２を使用する。あるいは、ステップ６０７の高速サーチでは、グループＧｒ１を使用し、ステップ６０８の低速サーチでは、グループＧｒ２を使用し、ステップ６１４の低速サーチでは、グループＧｒ３を使用する。

その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。

１００…制御部、１１０…伝送部、１２０…ＵＬ信号処理部、１３０…ＤＬ信号処理部、２００…制御部、２００ａ…ビームフォーミング制御機能、２００ｂ…サーチ制御機能、２００ｃ…ハンドオーバ制御機能、２１０…通信部、２２０…信号処理部、２３０…無線通信部、２４０…記憶部、２４０ａ…ＵＥ位置情報テーブル、５ＧＣ…５Ｇコアネットワーク、ＡＮ１～ＡＮ３…アンテナ、Ｇｒ１～Ｇｒ４…アンテナグループ、Ｐ１…ポート、ＲＵ１～ＲＵ３…子機、ＵＥ１…移動局、ＵＥ２…移動局、ｇＮＢ１…基地局装置、ｇＮＢ２…基地局装置。

Claims (6)

1. ネットワークに接続される基地局と、移動局との間の通信を中継する通信中継装置において、
   任意の方向に電波のビームを形成するアンテナと、
   前記アンテナが受信した信号強度を検出する信号強度検出部と、
   前記アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、前記信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、前記移動局が存在する方向を検出する第１のサーチ部と、
   前記アンテナが形成するビームの方向を、前記第１のサーチ部が検出した方向を含み、かつ前記第１の範囲よりも狭い第２の範囲で変化させ、前記信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、前記移動局が存在する方向を検出する第２のサーチ部と、
   を具備したことを特徴とする通信中継装置。
2. 前記アンテナは、多数のアンテナ素子を備え、このアンテナ素子を介する信号の位相調整により指向性が制御され、
   前記第１のサーチ部は、前記信号の位相調整によって、前記アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、
   前記第２のサーチ部は、前記信号の位相調整によって、前記アンテナが形成するビームの方向を第２の範囲で変化させることを特徴とする請求項１に記載の通信中継装置。
3. 前記第１のサーチ部は、前記アンテナが備える多数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子を介する信号の位相調整によって、前記アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、
   前記第２のサーチ部は、前記アンテナが備える多数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子を介する信号の位相調整によって、前記アンテナが形成するビームの方向を第２の範囲で変化させることを特徴とする請求項２に記載の通信中継装置。
4. 前記第１のサーチ部は、前記アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、前記信号強度検出部が検出した信号強度の変化に基づいて、前記移動局が存在する方向を検出するものであって、前記信号強度の変化のうちピークの無線信号を受信した方向を前記移動局が存在する方向として検出することを特徴とする請求項１に記載の通信中継装置。
5. さらに、前記アンテナが形成するビームの方向を、前記第２の範囲以下の第３の範囲で変化させて前記移動局から送信される無線信号を受信し、前記信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、前記移動局の移動を検出する第３のサーチ部を、
   備えることを特徴とする請求項１に記載の通信中継装置。
6. ネットワークに接続される基地局と、移動局との間の通信を中継する通信中継装置で用いられるコンピュータを、
   任意の方向に電波のビームを形成するアンテナが受信した信号強度を検出する信号強度検出部と、
   前記アンテナが形成するビームの方向を第１の範囲で変化させ、前記信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、前記移動局が存在する方向を検出する第１のサーチ部と、
   前記アンテナが形成するビームの方向を、第１のサーチ部が検出した方向を含み、かつ前記第１の範囲よりも狭い第２の範囲で変化させ、前記信号強度検出部が検出した信号強度に基づいて、前記移動局が存在する方向を検出する第２のサーチ部と、
   して機能させることを特徴とする通信中継プログラム。

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