JP2023028143A - ビームを形成して基地局装置と端末装置との間の通信の中継を行う中継装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】端末装置との通信に使用するビームを特定可能とする複数の方向への信号の出力が可能な、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置、その制御方法及びプログラムを提供する。【解決手段】基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置は、基地局装置によって所定のビームを介して送信された所定の信号を、ユーザデータの復号を行わずに複数の電波出力方向へ出力することによって中継し、端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングに基づいて、複数の電波出力方向の中から、端末装置と中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択する。中継装置は、所定のビームによって第１のタイムスロットで送信された所定の信号を複数の電波出力方向のうちの第１の方向において中継し、所定のビームによって第２のタイムスロットで送信された所定の信号を複数の電波出力方向のうちの第２の方向において中継する。【選択図】図５

Description

本発明は、ユーザデータの復号処理を伴わずに無線信号を中継する中継伝送技術に関する。

モバイル通信において、通信可能なエリアを拡大するために、無線レピータが用いられている。無線レピータは、受信した信号を増幅して（必要に応じて周波数変換して）送出することにより、例えば基地局装置が送信した信号を、より遠方やビル陰などの電波が届きにくいエリアに到達させることができる。なお、ビル陰などのエリアに対しては、無線レピータに代えて反射板を用いることもできる。

基地局装置は、一般的に、複数のビームを形成して、エリア内の端末装置に対して十分に高速な通信サービスを提供するように構成されうる。この場合、無線レピータは、基地局装置によって形成された複数のビームのうちのいずれかで送信される信号を受信して送出する。一方、この場合に、無線レピータが無指向性アンテナで中継を行うと、中継による利得が不十分であることにより、エリア拡張効果が不十分になりうる。このため、無線レピータがそれぞれ異なる方向に向けられた複数のビームを形成して信号を中継することが想定される。また、反射板を用いる場合も、どの方向に信号を反射させるかを適切に設定することが重要となる。なお、反射板は、物理的な向きを変更することによって信号を反射させる方向を変更することができるが、メタマテリアル反射板（非特許文献１参照）を用いることにより、物理的な向きを変更せずに、様々な方向に電波を反射させることができる。

Shimin Gong, et al.、「Toward Smart Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces: A Contemporary Survey」、IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS、VOL. 22、NO. 4、2020年

上述のような、無線レピータや反射板が複数の方向に電波を送出することができる場合、無線レピータや反射板などの、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置が、端末装置の通信の中継に適したビームを特定して使用することが重要である。

本発明は、複数の方向への信号の出力が可能な、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置における端末装置との通信に使用するビームの特定技術を提供する。

本発明の一態様による中継装置は、基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置であって、
基地局装置によって所定のビームを介して送信された所定の信号を、ユーザデータの復号を行わずに複数の電波出力方向へ出力することによって中継する中継手段と、前記所定のビームによって第１のタイムスロットで送信された前記所定の信号が前記複数の電波出力方向のうちの第１の方向において中継され、前記所定のビームによって第２のタイムスロットで送信された前記所定の信号が前記複数の電波出力方向のうちの第２の方向において中継されるように前記中継手段を制御する制御手段と、前記端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングに基づいて、前記複数の電波出力方向の中から、前記端末装置と前記中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択する選択手段と、を有する。

本発明によれば、複数の方向への信号の出力が可能な、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置において、端末装置との通信に使用するビームを特定することができる。

無線通信システムの構成例を示す図である。 参照信号の中継方法を概説する図である。 中継に用いる電波出力方向を決定する処理を概説する図である。 中継装置の構成例を示す図である。 中継装置によって実行される処理の流れの例を示す図である。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（通信システムの構成）
図１に、本実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す。本無線通信システムは、基地局装置１０１と端末装置１４１との間の通信を中継装置１２１が中継する中継通信システムである。本無線通信システムでは、基地局装置１０１は複数のビーム１１１～１１３を形成して信号を送信し、中継装置１２１は、それらのビームのうちのいずれかのビームを介して受信した信号を端末装置１４１へ中継する。なお、中継装置１２１は、複数の電波出力方向１３１～１３３を設定可能であり、受信された信号をその複数の電波出力方向１３１～１３３の少なくともいずれかに向けて出力可能である。なお、中継装置１２１は、一例において、無線レピータであり、受信した信号を増幅して出力するように構成される。この場合、中継装置１２１は、例えば複数のアンテナを用いて、複数の電波出力方向１３１～１３３に向けられた複数のビームを形成し、そのビームを用いて中継を行うように構成されうる。また、別の例において、中継装置１２１は反射板でありうる。中継装置１２１は、例えば、物理的に向きを変更して複数の電波出力方向１３１～１３３のそれぞれに向けて電波を反射出力するように構成されうる。また、中継装置１２１は、メタマテリアル反射板であってもよい。メタマテリアル反射板は、例えば、多数の受動素子がアレイ状に配置され、その多数の受動素子を同時に位相制御することにより、反射板の物理的な姿勢制御を行わずに、入射された電波を任意の方向に反射させることができるようにした反射板である。詳細については非特許文献１に記載されているため、ここでの説明については省略する。中継装置１２１が反射板である場合、入射された信号の増幅は行われない。

中継装置１２１は、基地局装置１０１と端末装置１４１との間の信号を、ユーザデータの復号処理を行わずに転送するに過ぎず、このため、基地局装置１０１と端末装置１４１は、相互に直接接続している場合と同じ通信処理を行う。

端末装置１４１は、中継装置１２１が存在しない場合、例えば、基地局装置１０１が形成している複数のビームのそれぞれにおいて送信される参照信号等の所定の信号を測定し、無線品質に基づいてビームを選択する。そして、端末装置１４１は、そのビームに対応する周波数・時間リソースにおいて、ランダムアクセスプリアンブルを送信することにより、そのビームを介して基地局装置１０１に接続することができる。また、端末装置１４１は、基地局装置１０１と接続した後は、任意のタイミングで、例えば最も受信電力の強いビームの識別情報を基地局装置１０１へ送信しうる。

ここで、中継装置１２１が存在する場合、中継装置１２１は、基地局装置１０１の形成するビームのうちのいずれかのビームに関する通信を中継することとなる。このため、一例において、端末装置１４１は、中継装置１２１が中継する１つのビームのみの所定の信号を受信し、そのビームでの接続を試みることとなる。一方で、中継装置１２１は、複数の方向に基地局装置１０１からの信号を出力することができる場合であっても、基地局装置１０１から送出された信号を出力することができるのみであり、例えば複数の方向のそれぞれに対応する参照信号の送信などを行うことはできない。このため、端末装置１４１がランダムアクセスプリアンブルを送信する周波数・時間リソースについても、中継装置１２１が中継するビームに対応するものが使用され、中継装置１２１と端末装置１４１との間の信号伝送に電波出力方向１３１～１３３のいずれが使用されるべきかを特定することができない。

本実施形態では、このような事情に鑑み、中継装置１２１が、中継装置１２１と端末装置１４１との間での信号伝送のための電波出力方向（ビーム又は反射方向）を特定可能とする技術を提供する。中継装置１２１は、基地局装置１０１によって所定のビームで繰り返し送信された参照信号等の所定の信号を、複数の電波出力方向のそれぞれにおいて出力して中継するように構成される。このとき、中継装置１２１は、所定の信号の中継機会を複数の電波出力方向のそれぞれに別個に割り当てる。すなわち、第１のタイムスロットで送信された所定の信号を第１の電波出力方向へ出力し、第１のタイムスロットと異なる第２のタイムスロットで送信された所定の信号を第１の電波出力方向と異なる第２の電波出力方向へ出力するようにする。

図２に、中継装置１２１による、基地局装置１０１から送信された所定の信号（参照信号）の中継がどのように行われるかを概略的に示す。図２のように、基地局装置１０１は、一定時間間隔で参照信号を送信する。なお、基地局装置１０１は、複数のビームを形成する場合、その複数のビームのそれぞれで参照信号を送出する。そして、中継装置１２１は、例えばその中で最も受信電力が強い参照信号を以下の処理の対象とする。すなわち、中継装置１２１は、基地局装置１０１が複数のビームでそれぞれ参照信号を送出する場合、その複数のビームのうちで、所定の基準に照らして無線品質が良好である（例えば無線品質が最良又は所定の品質閾値を超えるなどの基準を満たした）ビームを選択し、そのビームで送出された参照信号を以下の処理の対象として、増幅して送出、又は反射させるようにする。中継装置１２１は、自装置が電波を出力（放射又は反射）可能な複数の電波出力方向のそれぞれにおいて、異なるタイミングで、基地局装置１０１から到来した参照信号を中継する。図２の例では、中継装置１２１が、１回目に受信された参照信号については第１の方向に中継し、２回目に受信された参照信号については第２の方向に中継し、３回目に受信された参照信号については第３の方向に中継する例を示している。このように、中継装置１２１は、参照信号が受信されたタイミングに応じてその参照信号を中継するが、それぞれの中継機会ごとに１つの方向においてのみ、参照信号を中継するようにする。なお、これは一例であり、例えばグルーピングされた複数の方向（ただし、設定可能な電波出力方向の一部）に対して、同一の中継機会で参照信号を中継するようにしてもよい。

そして、本実施形態の端末装置は、例えば、基地局装置１０１と接続を確立する場合、所定の電力より強く参照信号を受信してから所定の期間内に、ランダムアクセスプリアンブルを送信する。なお、ランダムアクセスプリアンブルが送信される周波数・時間リソースは、基地局装置１０１によって形成されると共に中継装置１２１によってその通信が中継されるビームに対して設定された、ランダムアクセスプリアンブルの送信用の周波数・時間リソースである。また、同様に、端末装置は、基地局装置１０１との接続中などに、最も強い電力で受信された参照信号の送信元のビームの識別情報を示す情報を、例えばその最も強い電力で参照信号を受信してから所定の期間内に、送信する。なお、ここでの参照信号の送信元のビーム識別情報は、中継装置１２１による中継の対象となった、基地局装置１０１によって形成されるビームの識別情報である。すなわち、中継装置１２１は、基地局装置１０１が送信した信号の中継を行うのみであり、中継装置１２１が形成した複数のビームのそれぞれについてのビーム識別情報は付されない。

例えば、図３に示すように、中継装置１２１が第１の方向へ参照信号を出力してから、第２の方向への参照信号を出力する直前までの期間が、第１の方向に関連付けられる。同様に、中継装置１２１が第２の方向へ参照信号を出力してから、第３の方向への参照信号を出力する直前までの期間が、第２の方向に関連付けられ、中継装置１２１が第３の方向へ参照信号を出力してから、第１の方向への参照信号を出力する直前までの期間が、第３の方向に関連付けられる。このように、複数の電波出力方向のそれぞれに対して別個の期間が対応し、中継装置１２１は、端末装置１４１が信号を送信したタイミングが含まれる期間に基づいて、その中継装置１２１との通信で使用すべき電波出力方向を特定しうる。図３の例では、端末装置１４１が第２の方向に対応する期間においてランダムアクセスプリアンブルを送信しているため、中継装置１２１は、その端末装置１４１と基地局装置１０１との間の通信において、第２の電波出力方向を使用することを決定しうる。なお、各電波出力方向と機関との関係は、図３の例と異なるように構成されてもよい。

なお、上述の処理は、複数の端末装置に対して別個に行われうる。すなわち、中継装置１２１は、基地局装置１０１と複数の端末装置との通信を中継する場合、その端末装置ごとに、使用する電波出力方向を決定してもよい。また、中継装置１２１は、このような処理を行うために、端末装置を識別する機能を有しうる。例えば、中継装置１２１は、端末装置から送出された信号から、物理層の情報を復調して（ただし、ユーザデータの復号を行わずに）、無線ネットワーク一時識別子（ＲＮＴＩ）などの端末装置を識別可能な情報を取得しうる。そして、中継装置１２１は、その識別した情報に基づいて、端末装置ごとに上述の処理を実行し、使用すべき電波出力方向を決定しうる。

上述のようにして、中継装置１２１において、電波を出力する方向を複数設定することができる場合に、端末装置に適した方向で、その端末装置の通信を中継することが可能となる。なお、本実施形態では、基地局装置１０１からの信号を中継装置１２１が端末装置１４１へ中継する場合を主として説明しているが、中継装置１２１は、当然に、端末装置１４１が送信した信号を基地局装置１０１へ中継しうる。

（装置構成）
続いて、上述のような処理を行う中継装置１２１の構成について、図４を用いて説明する。中継装置１２１は、例えば、中継回路４０１とコントローラ４０２とを有する。

中継回路４０１は、例えば、非再生中継を行うための増幅器と周波数変換器とを含んで構成される。この場合、中継回路４０１は、例えば、複数のアンテナを含み、それらのアンテナのそれぞれから出力される信号にアンテナウェイトを乗じて、設定可能な複数の電波出力方向のそれぞれに対して、その信号を出力する機能を有する。また、中継回路４０１は、例えば、反射板であってもよく、反射板による電波の反射方向を複数の電波出力方向のいずれかに設定する機能を有する。例えば、中継回路４０１は、設定可能な複数の電波出力方向のそれぞれに電波が反射されるように反射板の向きを物理的に変更する機能を有しうる。また、中継回路４０１は、反射板の向きは固定されたメタマテリアル反射板であってもよい。この場合、中継回路４０１は、反射板内の多数の受動素子における位相制御などによって、設定可能な複数の電波出力方向のそれぞれに電波を反射する機能を有する。

コントローラ４０２は、例えば、上述のようにして参照信号などの所定の信号を中継する際の、また、基地局装置１０１又は端末装置１４１からの他の信号を中継する際の、基地局装置１０１や端末装置１４１との間の信号伝送に用いる電波出力方向を決定すると共に、その方向に関する情報を記憶する制御を実行する。また、コントローラ４０２は、例えば、到来した信号を物理層において復調し、端末装置を識別する情報を取得しうる。そして、コントローラ４０２は、上述のようにして電波出力方向が決定された場合に、その端末装置を識別する情報と電波出力方向を特定可能な情報とを関連付けて記憶しうる。そして、その端末装置の通信の際には、その端末装置に関連付けられた電波出力方向に信号を中継するように中継回路４０１を制御しうる。コントローラ４０２は、例えば、１つ以上のプロセッサと１つ以上のメモリとから構成されたコンピュータであり、プロセッサによって、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより、それらの処理を実行する。

なお、中継装置１２１は、例えば外部の商用電源（不図示）からの電力供給を受け、中継回路４０１およびコントローラ４０２は、その電力によって動作するように構成されうる。このため、反射板において、受信信号の物理層の復調を行うなどの処理を行ったとしても、中継される信号の電力を減らさないようにすることができる。

（処理の流れ）
続いて、図５を用いて、中継装置１２１が実行する中継に用いる方向を決定する処理の流れの例について概説する。この処理は、例えば、中継装置１２１への電力供給が開始されたことに応じて開始されうる。まず、中継装置１２１は、電波出力方向の対象のリセット（ｉ＝１とする）などの初期設定を行い（Ｓ５０１）、その後に、基地局装置１０１から参照信号等の所定の信号が到来するのを待ち受ける（Ｓ５０２）。なお、中継装置１２１は、基地局装置１０１が形成する複数のビームにおいてそれぞれ送信される参照信号などの所定の信号に基づいて、例えば、受信電力が最も強い参照信号に対応するビームを中継対象として特定しうる。なお、中継装置１２１は、単純に受信した信号を増幅又は反射して出力するため、特定したビームの他のビームから送出された信号をも中継しうるが、Ｓ５０２では、特定したビームの参照信号を待ち受けるようにする。

中継装置１２１は、（例えば中継対象として特定したビームで送信された）参照信号等の所定の信号を受信すると（Ｓ５０２でＹＥＳ）、その所定の信号をｉ番目の電波出力方向へ中継する（Ｓ５０３）。そして、中継装置１２１は、ｉ番目の電波出力方向と対応する所定の期間内に（Ｓ５０５でＮＯ）、端末装置から、ランダムアクセスプリアンブルや、受信電力が最も強かったビームの識別情報を示す信号などの、第２の所定の信号を受信したかを判定する（Ｓ５０４）。中継装置１２１は、所定の期間内に第２の所定の信号を受信しなかった場合（Ｓ５０４でＮＯ、Ｓ５０５でＹＥＳ）、全ての設定可能な方向に参照信号等の所定の信号を中継したかを判定し（Ｓ５０６）、全ての設定可能な方向に所定の信号を中継した場合（Ｓ５０６でＹＥＳ）、処理をＳ５０１に戻し、所定の信号を中継していない方向がある場合（Ｓ５０６でＮＯ）、所定の信号の中継方向を変更して（Ｓ５０７）、処理をＳ５０２に戻す。一方、中継装置１２１は、所定の期間内に第２の所定の信号を受信した場合（Ｓ５０４でＹＥＳ）、Ｓ５０３で参照信号等の所定の信号を出力した方向を、端末装置１４１の通信を中継する際に使用する方向として決定し（Ｓ５０８でＹＥＳ）、処理を終了する。

このようにして、中継装置１２１は、端末装置の通信の中継に適した電波出力方向を決定することができる。その後、中継装置１２１は、決定した方向に従って、基地局装置１０１と端末装置１４１との間の通信を中継する。なお、中継装置１２１は、例えば、図５のような処理を、所定期間ごとに繰り返しうる。これにより、端末装置１４１の移動など、状況に変化が生じた場合であっても、適切な電波出力方向を用いて通信を中継することが可能となる。

なお、電波出力方向は、中継装置１２１から端末装置１４１へ向けた方向であるが、端末装置１４１からの電波の入力を受け付けて、基地局装置１０１方向へ信号を中継する際にも用いられうる。すなわち、上述の電波出力方向は、電波入出力方向と解することができる。また、基地局装置１０１が送信する所定の信号は、参照信号に限られず、例えば同期信号などの他の信号であってもよい。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

Claims (10)

1. 基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置であって、
   基地局装置によって所定のビームを介して送信された所定の信号を、ユーザデータの復号を行わずに複数の電波出力方向へ出力することによって中継する中継手段と、
   前記所定のビームによって第１のタイムスロットで送信された前記所定の信号が前記複数の電波出力方向のうちの第１の方向において中継され、前記所定のビームによって第２のタイムスロットで送信された前記所定の信号が前記複数の電波出力方向のうちの第２の方向において中継されるように前記中継手段を制御する制御手段と、
   前記端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングに基づいて、前記複数の電波出力方向の中から、前記端末装置と前記中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択する選択手段と、
   を有することを特徴とする中継装置。
2. 前記中継装置は無線レピータであり、
   前記中継手段は、前記基地局装置からの信号を増幅して前記複数の電波出力方向の少なくともいずれかに向けて送出することによって中継する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
3. 前記中継装置は反射板であり、
   前記中継手段は、前記基地局装置からの信号を前記複数の電波出力方向の少なくともいずれかへ反射させて中継する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
4. 前記反射板はメタマテリアル反射板である、ことを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
5. 前記複数の電波出力方向はそれぞれ異なる期間と関連付けられており、
   前記選択手段は、前記端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングと前記期間との関係に基づいて、前記複数の電波出力方向の中から前記端末装置と前記中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の中継装置。
6. 前記端末装置を識別する識別手段を有し、
   前記選択手段は、前記端末装置ごとに、前記出力方向を選択する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の中継装置。
7. 前記第２の所定の信号は、前記所定のビームに対応する周波数・時間リソースで送信されたランダムアクセスプリアンブルである、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の中継装置。
8. 前記第２の所定の信号は、前記所定のビームを識別する識別情報を含んだ信号である、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の中継装置。
9. 基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置によって実行される制御方法であって、
   前記基地局装置によって所定のビームを介して送信された所定の信号を、ユーザデータの復号を行わずに複数の電波出力方向へ出力することによって中継することと、
   前記端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングに基づいて、前記複数の電波出力方向の中から、前記端末装置と前記中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択することと、
   を含み、
   前記所定の信号の中継において、
   前記所定のビームによって第１のタイムスロットで送信された前記所定の信号を前記複数の電波出力方向のうちの第１の方向において中継し、
   前記所定のビームによって第２のタイムスロットで送信された前記所定の信号を前記複数の電波出力方向のうちの第２の方向において中継する、
   ことを特徴とする制御方法。
10. 基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置に備えられたコンピュータに、
    基地局装置によって所定のビームを介して送信された所定の信号を、ユーザデータの復号を行わずに複数の電波出力方向へ出力することによって中継させ、
    前記端末装置から第２の所定の信号を受信したタイミングに基づいて、前記複数の電波出力方向の中から、前記端末装置と前記中継装置との間の信号伝送において電波を出力する出力方向を選択させるプログラムであって、
    前記中継では、
    前記所定のビームによって第１のタイムスロットで送信された前記所定の信号を前記複数の電波出力方向のうちの第１の方向において中継させ、
    前記所定のビームによって第２のタイムスロットで送信された前記所定の信号を前記複数の電波出力方向のうちの第２の方向において中継させる、
    ためのプログラム。

Images