JP2023168811A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】カバーエリアの拡大を実現しつつ、消費電力の抑制、無線機コストの削減、基地局敷設コストの低減を図ることが可能な無線通信システムを提供する。【解決手段】無線通信システムは、複数のアンテナ素子を用いて固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射するＲＵ４１０を有する基地局と、受信した電波を散乱反射する電波散乱コンポーネント４２０とを備える。ＲＵ４１０は、建物の床側に設置されて、建物の天井方向に向けてビーム状の電波を発射する。電波散乱コンポーネント４２０は、建物の天井側で且つビーム状の電波が発射される方向の延長線上に設置される。【選択図】図８

Description

本発明は、建物の屋内に配備される基地局を備えた無線通信システムに関する。

近年、無線アクセスシステムが普及し、豊かな生活を送るためには無くてはならないものとなっている。携帯電話の第１世代から第４世代までを振り返ると、主に無線通信の高速化のための技術が進化してきた。第５世代では、高速化に加えて超低遅延及び多数同時接続性が要求される。これらの実現のためには広帯域化が有効であること、また、周波数の利用状況がひっ迫していることから、第５世代以降では、ミリ波帯をはじめとする高周波帯の利用が効果的である。例えば、第５世代ではミリ波帯に近い２８ＧＨｚ帯が使用される。

しかしながら、周波数が高くなる（すなわち、波長が短くなる）と、例えば１つの平面アンテナの受信面積が小さくなるため、マイクロ波帯と比較して伝搬損失が大きくなるという課題がある。また、伝搬損失が大きくなると、無線機あたりのカバーエリアが小さくなるため、コストの増大を招いてしまうという。

この課題を解決するために、第５世代ではビームフォーミング（Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ；ＢＦ）技術が採用される。ＢＦ技術は、複数のアンテナを配置（アレー）し、各アンテナ素子の送信信号の振幅と位相を制御することで、鋭いアンテナ指向性を得ることができる。また、アンテナ利得によって電波伝搬損失を補償することができる。

送信ＢＦでは、複数のアンテナから放射する送信信号の位相を制御して空間合成することで、或る場所では各アンテナから放射された電波の位相が同相に近くなって電力を強め合い、また或る場所では各アンテナから放射された電波が電力を打ち消し合う。その結果、電力を強め合う場所では合成利得を得ることができるため、電波伝搬損失を補償して、長距離伝送が可能となる。あるいは、受信機での所望信号電力対雑音電力比が大きくなるため、直交振幅変調の多値数を大きくすることで高速伝送が可能となる。

図１を参照して、ＢＦによって狭小ビームを形成する場合の指向性について説明する。ここでは、アンテナとして、マイクロ波帯やミリ波帯において多く採用されている平面アンテナを用いる場合を例とした。図１（ａ）は１サブアレイ（または１素子）の場合の例であり、アンテナビームは平面アンテナの指向性を有する。図１（ｂ）は４サブアレイの場合の例であり、１サブアレイと比較してアンテナビームの指向性は鋭くなり、正面方向の合成電力は大きくなる。図１（ｃ）は１６サブアレイの場合の例であり、アンテナビームの指向性は更に鋭くなり、正面方向の合成電力も更に大きくなる。図１（ｄ）は１６サブアレイであるが、図１（ｃ）とは各アンテナ素子の送信信号の位相が異なる場合の例であり、正面よりも左側にアンテナビームの指向性が向くように制御されている。

アンテナ指向性を鋭くすることによって、他の無線機に与える干渉を小さくすることができ、周波数の利用効率が良くなるという利点もある。ＢＦ技術の原理や指向性制御方法などは多くの文献で公知の技術となっているので、具体的な説明を省略する。また、特許文献１に示すように、アナログＢＦとデジタルＢＦを組み合わせたハイブリッドＢＦの開発も進められている。

受信ＢＦは、各アンテナの受信信号を合成する際に、所望波の到来方向のゲインを最大化する方法や、干渉波の到来方向のゲインを最小化する方法などがある。また、複数のアンテナを備えて空間ダイバーシティを行うことで、受信性能が良くなることも知られている。また、伝搬環境の変化に応じて上記受信技術の中から最適な方法を自動的に選択して実行するアルゴリズムについても、種々の研究や実用化が行われている。

上記の課題を解決する別の技術として、第５世代移動通信システム（５Ｇシステム）の基地局（ｇＮｏｄｅＢ）に適用できる分散アンテナシステム（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｙｓｔｅｍ；ＤＡＳ）がある。図２には、基地局における分散アンテナシステムの構成例を示してある。コアネットワークと接続される基地局１００は、ＣＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｕｎｉｔ）１１０と、ＣＵ１１０に接続された複数のＤＵ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｕｎｉｔ）１２０と、各ＤＵ１２０にそれぞれ接続された複数のＲＵ（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ）１３０とを備える。ＣＵ１１０は、データ処理やネットワーク制御を主に実行する集中制御装置である。ＤＵ１２０は、無線信号処理を主に実行するユニットである。ＲＵ１３０は、一般的な無線機の無線部に相当するユニットであり、ＲＦユニットやアンテナなどで構成される。

図２のような分散アンテナシステムは、１つのＣＵ１１０で複数のＤＵ１２０を集中的に制御することで、経済的なメリットを得ることができる。図２では、１つのＤＵ１２０に対して１つのＲＵ１３０を接続してあるが、１つのＤＵ１２０に対して複数のＲＵ１３０が接続される場合もある。なお、図２の分散アンテナシステムでは、ＤＵ１２０の配下の複数のＲＵ１３０は、互い異なる移動局との無線通信に使用される。５Ｇシステムのアーキテクチャは、例えば、Ｏ－ＲＡＮ（Ｏｐｅｎ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）として規定されている（例えば、非特許文献１参照）。

図３には、基地局における分散アンテナシステムの別の構成例を示してある。コアネットワークと接続される基地局２００は、ＣＵ２１０と、ＣＵ２１０に接続された複数のＤＵ２２０とを備える。ＣＵ２１０は、データ処理やネットワーク制御を主に実行する集中制御装置である。ＤＵ２２０は、無線信号処理を主に実行するユニットであり、ＲＦユニットやアンテナなどで構成される。図３のＤＵ２２０は、図２のＲＵ１３０を含む表現である（例えば、非特許文献２参照）。

図４には、図３の分散アンテナシステムにおけるＤＵ２２０の構成例を示してある。また、図５には、図３の分散アンテナシステムにおけるＤＵ２２０の配置例を示してある。図４及び図５に示すように、ＤＵ２２０は、ＢＢＵ（Ｂａｓｅ Ｂａｎｄ Ｕｎｉｔ）２３０と、ＢＢＵ２３０に接続された複数のＲＵ（Ｒａｄｉｏ Ｕｎｉｔ）２４０とを備えている。図２の分散アンテナシステムでは、ＤＵ１２０の配下の複数のＲＵ１３０は、互い異なる移動局との無線通信に使用されるのに対し、図３の分散アンテナシステムでは、ＤＵ２２０の配下の複数のＲＵ２４０は、後述するように、互いに同じ移動局との無線通信に使用される。

ＢＢＵ２３０は、分散アンテナシステムのベースバンド信号処理や制御などを集中的に行うユニットである。ＲＵ２４０は、一般的な無線機の無線部に相当するユニットであり、ＲＦユニットやアンテナなどで構成される。本例では、複数のＲＵ２４０が、各々のカバーエリア２４２を補い合うように互いに間隔を置いて配置される。ＣＵ２１０とＢＢＵ２３０、及び、ＢＢＵ２３０とＲＵ２４０は、光ファイバなどの接続ケーブル２５０で接続される。

ＲＵ２４０は、送受信アンテナ、電力増幅部、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、周波数フィルタ、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｔｏ Ａｎａｌｏｇ）変換部、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部、ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）変調部、ＯＦＤＭ復調部、Ｏ／Ｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ）変換部、Ｅ／Ｏ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）変換部などを有する。

ＢＢＵ２３０は、ＣＵ２１０から伝送された下りリンクの信号を複数のＲＵ２４０に分配する。複数のＲＵ２４０の各々は、ＢＢＵ２３０から分配された同一の下りリンクの信号を送受信アンテナから送信する。また、ＢＢＵ２３０は、複数のＲＵ２４０の各々から伝送された上りリンクの信号を受信し、これらを合成する。複数のＲＵ２４０から伝送された上りリンクの信号は、通信相手となる移動局とＲＵ２４０との位置関係、電波環境、雑音等により、一般的に異なる。ＢＢＵ２３０は、合成した上りリンクの信号をＣＵ２１０へ送信する。

ＢＢＵ２３０に複数のＲＵ２４０を接続して集中制御することで、基地局のカバーエリアを拡大することができる。また、カバーエリアの広さに対してＢＢＵ２３０の数を相対的に抑えることができるため、経済的である。分散アンテナシステムはカバーエリアの拡大を目的としているため、ＢＢＵ２３０から各ＲＵ２４０に分配して各ＲＵ２４０のアンテナから送信する信号は、ＢＢＵ２３０に接続された全てのＲＵ２４０で同一である。一方、各ＲＵ２４０のアンテナで受信してＢＢＵ２３０に集約する信号は、ＲＵ２４０毎に異なっており、ＢＢＵ２３０で合成してＣＵ２１０へ送信される。

特開２０１８－１０７５９４号公報

ウメシュ・アニール，外３名、「Ｏ－ＲＡＮフロントホール仕様概要」、ＮＴＴ ＤＯＣＯＭＯテクニカル・ジャーナル Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．１、２０１９年４月、ｐ．４３～５５ ウメシュ・アニール，外４名、「５Ｇ無線アクセスネットワーク標準化動向」、ＮＴＴ ＤＯＣＯＭＯテクニカル・ジャーナル Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．３、２０１７年１０月、ｐ．３３～４３

ミリ波帯は、屋外にある無線機から建物の中（すなわち、屋内）への透過損失がマイクロ波帯と比較して大きく、電波を受信できるエリアが小さくなる。このため、分散アンテナシステムなどを用いて屋内のカバーエリアを拡大する必要がある。しかしながら、ＢＦ機能を備えた無線機で分散アンテナシステムを構築する場合、鋭い指向性のアンテナビームを動的に制御するために、最大のエリア拡張効果および最大の無線通信性能を必ずしも得られないという問題がある。また、無線アンテナユニットの設置に制約があるという問題もある。

図６を参照して、従来方式における第１の課題を説明する。同図には、建物の壁３１０にＲＵ２４０を設置した例を示してある。ＲＵ２４０はＢＦ機能を備えており、電波の伝搬距離が大きくなるが、アンテナビームの指向性が鋭くなる。そのため、遮蔽物（例えば、柱３２０）が存在する場合には、遮蔽物によって電波が阻害されてそこから先には電波が届かず、また、ミリ波では電波が回折しにくいので、予定されたカバーエリア３３０の範囲内に不感地帯３４０が発生してしまう。特に、屋内ではＲＵ２４０を設置する高さが建物の壁や天井の高さによって制限されるので、遠方にビームを向けると床とビームのなす角が小さくなり、人などの比較的低い遮蔽物によっても電波が阻害されてしまう。

図７を参照して、従来方式における第２の課題を説明する。同図には、建物の天井３５０にＲＵ２４０を設置した例を示してある。遮蔽物は床に接している場合が多く、天井設置のＲＵ２４０からは略見通し環境となるため、第１の課題は解決される。しかしながら、ＢＦによって遠方まで電波を伝搬させる能力があるにも関わらず、屋内では天井の高さによって設置高さが制限されるため、カバーエリア３３０が小さくなってしまう。例えば、平面アンテナの指向性半値幅を一般的な９０°として計算すると、カバーエリア３３０は設置高さ（ｈ）を半径とする円に留まってしまう。このように、ＢＦ機能付きのＲＵ２４０を天井に設置する構成は、コストに対してのパフォーマンスが著しく低い。

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、カバーエリアの拡大を実現しつつ、消費電力の抑制、無線機コストの削減、基地局敷設コストの低減を図ることが可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る無線通信システムは、以下のように構成される。
すなわち、建物の屋内に配備される基地局を備えた無線通信システムにおいて、複数のアンテナ素子を用いて固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する無線アンテナユニットを有する基地局と、受信した電波を散乱反射する電波散乱コンポーネントとを備え、無線アンテナユニットは、建物の床側に設置されて、建物の天井方向に向けてビーム状の電波を発射し、電波散乱コンポーネントは、建物の天井側で且つビーム状の電波が発射される方向の延長線上に設置される。

一例として、無線アンテナユニットは、建物の床側にあるオブジェクトの上面に設置される。別の例として、無線アンテナユニットは、建物の床面に設置される。また、無線アンテナユニットは、例えば、ビーム状の電波を真上方向に発射するように設置され得る。また、アンテナ素子と他の電気部品とを電気的に接続する配線の長さは、例えば、全てのアンテナ素子で同じであり得る。

また、無線通信システムは、無線アンテナユニットおよび電波散乱コンポーネントを複数備えてもよい。この場合、無線通信システムは、複数のアンテナ素子を用いて任意の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する別の無線アンテナユニットを更に備え、この別の無線アンテナユニットは、建物の天井側に設置されて、建物の床方向に向けてビーム状の電波を発射してもよい。

本発明によれば、カバーエリアの拡大を実現しつつ、消費電力の抑制、無線機コストの削減、基地局敷設コストの低減を図ることが可能な無線通信システムを提供することができる。

平面アンテナとビームフォーミングの指向性の例を示す図である。 分散アンテナシステムの構成例を示す図である。 分散アンテナシステムの別の構成例を示す図である。 図３の分散アンテナシステムにおけるＤＵの構成例を示す図である。 図３の分散アンテナシステムにおけるＤＵの配置例を示す図である。 従来方式における第１の課題の例を示す図である。 従来方式における第２の課題の例を示す図である。 本発明の第１実施例に係る無線通信システムの構成例を示す図である。 図８の無線通信システムにおけるＲＵの構成例を示す図である。 図８の無線通信システムにおけるＲＵが有するアンテナの構成例を示す図である。 本発明の第２実施例に係る無線通信システムの構成例を示す図である。 図１１に示す無線通信システムにおける基地局の機能分割の例を示す図である。

本発明の一実施形態に係る無線通信システムについて、図面を参照して説明する。
（第１実施例）
図８には、本発明の第１実施例に係る無線通信システムの構成例を示してある。第１実施例に係る無線通信システムにおける基地局は、図２に示す基地局の構成をベースにしており、建物の屋内に配備される。本発明が主題とするエリア拡大は主にＲＵが担うこと、および、本発明が解決しようとする課題がＲＵに関するものであることから、図８では、ＤＵ１２０より先でのエリア拡大の部分に焦点を当てている。本例の無線通信システムは、ＲＵ４１０を有する基地局と、電波散乱コンポーネント４２０とを備える。図８では、１つのＲＵ４１０と、１つの電波散乱コンポーネント４２０とを示しているが、ＲＵ４１０および電波散乱コンポーネント４２０のセットを複数備えてもよい。

ＲＵ４１０は、複数のアンテナ素子を用いて固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射するアンテナを有するユニットであり、ＢＦ機能は備えていない。ＲＵ４１０は、建物の床側に設置され、建物の天井の方向へビーム状の電波を発射し、また、天井側からの電波を受信することが可能である。図８では、床面に置かれたオブジェクト３６０にＲＵ４１０を配置し、ビーム状の電波を真上方向に発射するようにしてある。オブジェクト３６０は、例えば、設置台、デスク、テーブル等であり、その上面にＲＵ４１０が設置される。ＲＵ４１０と電波散乱コンポーネント４２０が見通し環境となるように、その間に遮蔽物を配置しないことが望ましい。ＲＵ４１０は、接続ケーブル２５０を通じて、図２に示したＤＵ１２０と接続される。

電波散乱コンポーネント４２０は、受信した電波を散乱反射する効果のあるコンポーネントである。電波散乱コンポーネント４２０は、建物の天井側で、且つ、ＲＵ４１０から発射されるビーム状の電波が発射される方向の延長線上に設置される。図８では、ＲＵ４１０がビーム状の電波を真上方向に発射するので、ＲＵ４１０の真上の天井位置に電波散乱コンポーネント４２０を設置してある。床側のＲＵ４１０から天井方向に発射されるビーム状の電波を、天井側の電波散乱コンポーネント４２０によって床側に散乱反射させることで、ＲＵ４１０のカバーエリアを拡大する効果が得られる。

第１実施例に係る無線通信システムの動作について説明する。まず、基地局から移動局（例えば、スマートフォンなど）へ無線信号を送信する下りリンクについて説明する。下りリンクにおいて、基地局のＲＵ４１０には、移動局に対する信号が、ＤＵ１２０から接続ケーブル２５０を通じて入力される。ＲＵ４１０は、入力された信号を無線信号に変換し、天井方向へ向けて発射されるビーム状の電波により送信する。ＲＵ４１０からの電波は、電波散乱コンポーネント４２０によって床側へ反射される。電波散乱コンポーネント４２０は、電波を反射する際に電波を散乱させる作用がある。この電波散乱の作用の効果として、ＲＵ４１０からの電波が到達するエリアを拡大することが可能である。

次に、移動局から基地局へ無線信号を送信する上りリンクについて説明する。上りリンクにおいて、移動局は、基地局に対する無線信号を、下りリンクの無線信号の到来方向、すなわち、電波散乱コンポーネント４２０の方向へ向けて送信する。移動局からの電波は、電波散乱コンポーネント４０２によって床側へ反射される。電波散乱コンポーネント４２０は、前述の通り、電波を反射する際に電波を散乱させる作用がある。このため、移動局からの電波の一部がＲＵ４１０へと到達し、ＲＵ４１０によって受信される。ＲＵ４１０は、受信した無線信号をデジタル信号、光信号等に変換し、接続ケーブル２５０を通じてＤＵ１２０へ出力する。

下りリンクおよび上りリンク共に、電波散乱コンポーネント４２０によって電波を散乱するため、従来のＢＦと同じ電力で送信しても受信電力が小さくなる。そこで、本例では、電力を補完するために、ＲＵ４１０のアンテナの素子数を増やしてアンテナ利得を大きくする。パッシブなアンテナ素子を使用できるので、コストの増加は軽微である。また、アンテナ素子の増加に伴って、電波の指向性が強くなる。言い換えれば、電波が狭小になる（すなわち、狭小ビーム化する）。このため、ＢＦでは移動局の追従が困難になるが、本例の電波散乱コンポーネント４２０は固定設置されているので、特に問題とならない。また、電力増幅器やＬＮＡを増やすことと比較して有利である。更に、低消費電力化も可能となる。

図９には、本例の無線通信システムの基地局におけるＲＵ４１０の構成例を示してある。ＲＵ４１０は、図９に示すように、構成要素として、Ｏ／Ｅ変換器５０１と、Ｄ／Ａ変換器５０２と、周波数変換部５０３と、電力増幅器（Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＰＡ）５０４と、ＴＤＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ）用スイッチ５０５と、アンテナ５０６と、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５０７と、周波数変換部５０８と、Ａ／Ｄ変換器５０９と、Ｅ／Ｏ変換器５１０とを有する。

ＤＵ１２０からの信号は、Ｏ／Ｅ変換器５０１で光信号から電気信号に変換される。Ｄ／Ａ変換器５０２は、Ｏ／Ｅ変換によって得られたデジタル信号をアナログ信号に変換する。周波数変換部５０３は、Ｄ／Ａ変換によって得られたＩＦ信号をＲＦ信号に周波数変換する。電力増幅器５０４は、周波数変換後のＲＦ信号の電力を増幅する。ＴＤＤ用スイッチ５０５は、下りリンク（送信）又は上りリンク（受信）で経路を切り替える。下りリンクでは、アンテナ５０６からＲＦ信号が送信される。

上りリンクでは、アンテナ５０６により移動局からのＲＦ信号を受信する。ＬＮＡ５０７は、アンテナ５０６によって受信されたＲＦ信号を増幅する。周波数変換部５０８は、増幅後のＲＦ信号をＩＦ信号に周波数変換する。Ａ／Ｄ変換器５０９は、周波数変換後のＩＦ信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。Ｅ／Ｏ変換器５１０は、Ａ／Ｄ変換によって得られた電気信号を光信号に変換する。

図９では、説明を簡潔にするために必要な機能ブロックのみを示したが、当業者には周知である、バンドパスフィルタ、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＡＦＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）などの種々の要素が、図示した各構成要素の間に挿入されてもよい。

図１０には、図８の無線通信システムの基地局におけるＲＵ４１０が有するアンテナ５０６の構成例を示してある。アンテナ５０６は、図１を参照して説明したような平面アンテナ構造である。従来の方法ではＢＦを行うため、送信時は各アンテナ素子に振幅や位相が異なる送信信号を供給する必要があり、受信時は各アンテナ素子の信号を独立して個別にＢＦ部に供給する必要があった。また、ＢＦ用の振幅制御や位相制御が必要であり、例えば、アナログＢＦを行う場合には、増幅器や電力減衰器や移相器を備える必要があった。あるいは、デジタルＢＦを行う場合には、アンテナ素子数と同数のＤ／Ａ変換器やＡ／Ｄ変換器が必要であり、無線機の小型化やコスト低減の妨げとなっていた。

これに対し、本例ではＢＦを行わないので、ＢＦ用の振幅制御および位相制御が不要となる。また、電力増幅器やＬＮＡは一つでもよい。図１０に示すように、増幅器やＬＮＡなどの他の電気部品と各アンテナ素子（図中の黒い四角形）は、マイクロストリップラインなどにより、互いに同じ長さの配線で電気的に接続される。このように、各アンテナ素子と他の電気部品とを接続する配線の長さを全てのアンテナ素子で同じ（等長配線）とした場合には、各アンテナ素子の送信信号の位相が互いに一致するので、電波の指向性は正面方向となる（図１（ｃ）参照）。図８に示すＲＵ４１０と電波散乱コンポーネント４２０は、ＲＵ４１０からの電波の指向性の方向と電波散乱コンポーネント４２０の正面方向とが一致する位置関係になるように配置される。つまり、ＲＵ４１０と電波散乱コンポーネント４２０は、互いに正対するように配置される。

次に、電波散乱コンポーネント４２０の具体例について説明する。一例として、電波散乱コンポーネント４２０は、電波を反射する材質で形成され、反射面が凸面の形状を有する。電波を反射する凸面鏡は、電波を散乱することが知られている。一方、通常の平面鏡は、入射角と反射角が物理法則によって定まり、鏡面に対して垂直に入射した電波は同じ方向に反射する。別の例として、電波散乱コンポーネント４２０は、電波を反射する材質で形成された平板などに、凹凸のエンボス加工を施すことで、積極的に電波を散乱させるものである。電波の波長によって凹凸の密度を調整することで、目的とする周波数の電波を散乱できることが知られている。

（第２実施例）
図１１には、本発明の第２実施例に係る無線通信システムの構成例を示してある。第２実施例は、図３～図５の分散アンテナシステムに本発明を適用した例である。図１１では、建物の同じ部屋内に、ＲＵ４１０および電波散乱コンポーネント４２０のセットが３つ配置されている。これらＲＵ４１０は、接続ケーブル２５０を通じて、図４に示したＢＢＵ２３０と接続される。なお、ＲＵ４１０および電波散乱コンポーネント４２０のセット数は任意である。

ＲＵ４１０はＢＦ機能を備えておらず、天井の方向への電波の送信、および、天井側からの電波の受信を行えるように、建物の床側にあるオブジェクト３６０上に設置される。また、天井には、電波を散乱する効果のある電波散乱コンポーネント４２０が設置される。電波散乱コンポーネント４２０は、ＲＵ４１０と同数（本例では３つ）が設置される。床側のＲＵ４１０から天井方向に発射されるビーム状の電波を、天井側の電波散乱コンポーネント４２０によって床側に散乱反射させることで、ＲＵ４１０のカバーエリアを拡大する効果が得られる。

ＲＵ４１０および電波散乱コンポーネント４２０のセットは、各々の電波散乱コンポーネント４２０により散乱反射された電波の到達エリアが互いに補い合って部屋全体をカバーできるように、ある程度の間隔を置いて設置される。ＲＵ４１０および電波散乱コンポーネント４２０のセットの間隔は、電波散乱コンポーネント４２０が電波を反射する際に電波を散乱する範囲に応じて決定すればよい。

ＢＢＵ２３０は、複数のＲＵ４１０の中から移動局との無線通信に用いるものを選択するＲＵ選択機能を備えている。ＲＵ選択機能は、ＢＦの制御に使用されるＢＦ制御情報を利用することで、実現することが可能である。ＢＦ制御情報は本来、複数のＢＦパタンの中から１つを選択するための制御に使用されるが、ここでは、移動局との無線通信に用いるＲＵ４１０の選択に使用する。つまり、ＢＦ制御情報に従ってＢＦパタンを選択する動作に代えて、ＲＵ４１０を選択する動作を行うようにする。なお、ＢＢＵ２３０とＲＵ４１０の間にＨＵＢ（例えば、スイッチングハブ）を介在させる場合には、ＨＵＢにＲＵ選択機能を設けてもよい。

以下、ＲＵ選択機能について説明する。まず、ＤＵとＲＵとのインタフェースについて説明しておく。例えば第４世代までのＲＲＨ（Ｒｅｍｏｔｅ Ｒａｄｉｏ Ｈｅａｄ）では、ＣＵとＤＵ間の信号の伝送は、ＲｏＦ（Ｒａｄｉｏ ｏｖｅｒ Ｆｉｂｅｒ）にて行うことが主流であった。しかしながら、５Ｇでは信号帯域幅が数百ＭＨｚと広帯域であり、光ファイバの伝送容量が膨大になって現実的でない。そのため、送信時はＯＦＤＭ変調前のデジタル信号を光伝送し、受信時はＯＦＤＭ復調後のデジタル信号を光伝送することで、伝送容量を抑える方法が採用されている。また、５Ｇの無線周波数にはミリ波などの高周波帯が使用されるため、多素子アンテナを用いてＢＦを行うことが考慮されており、光伝送するデジタル信号の中に、ＢＦに関する信号が制御信号として含まれる。

次に、基地局機能のＣＵおよびＤＵへの機能分割について説明する。５Ｇシステムのアーキテクチャの一例として、非特許文献１に示すようにＯ－ＲＡＮ（Ｏｐｅｎ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）があり、Ｏ－ＲＡＮ仕様で規定されたＳｐｌｉｔ７にて制御信号（Ｃ－ｐｌａｎｅ）のフォーマットが規定されている。以下では、基地局機能のＣＵおよびＤＵへの機能分割について、広く用いられているＯ－ＲＡＮ仕様のインタフェース「ｓｐｌｉｔ７」を例にして説明するが、これに限定するものではない。

図１２には、図１１に示した無線通信システムにおける基地局の機能分割の例を示してある。基地局の機能としては、ＲＲＣ（Ｒａｄｉｏ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）６０１、ＰＤＣＰ（Ｐａｃｋｅｔ Ｄａｔａ Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）６０２、ＲＬＣ（Ｒａｄｉｏ Ｌｉｎｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ）６０３、ＭＡＣ（Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）６０４、ＰＨＹ（ＰＨＹｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ）６０５、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）６０６の各機能がある。

Ｏ－ＲＡＮ「ｓｐｌｉｔ７」では、ＰＨＹ６０５の機能が分割される。分割されたＰＨＹ６０５の機能のうち、ＣＵ側をＰＨＹ－ｈｉｇｈ６０５Ｈ、ＤＵ側をＰＨＹ－ｌｏｗ６０５Ｌと定義する。ＰＨＹ－ｈｉｇｈ６０５Ｈの機能には、［下りリンク／上りリンク］表現で、［符号化／復号］、［スクランブリング／デスクランブリング］、［変調／復調］、［レイヤマッピング／等価処理，ＩＤＦＴ］、［プリコーディング／チャネル推定］、［リソースエレメントマッピング／リソースエレメントデマッピング］がある。ＰＨＹ－Ｌｏｗ６０５Ｌの機能には、［送信デジタルＢＦ／受信デジタルＢＦ］、［ＩＦＦＴ／ＦＦＴ］がある。ＲＦ６０６の機能には、［Ｄ／Ａ変換／Ａ／Ｄ変換］、［送信アナログＢＦ／受信アナログＢＦ］がある。

ＰＨＹ－ｈｉｇｈ６０５ＨとＰＨＹ－ｌｏｗ６０５Ｌは、接続ケーブル２５０により接続される。接続ケーブル２５０のインタフェース中のＵ－ｐｌａｎｅ（Ｕｓｅｒ－ｐｌａｎｅ）には、マッピングされた送信データ、及び、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）された受信データが含まれる。接続ケーブル２５０のインタフェース中のＣ－ｐｌａｎｅ（Ｃｏｎｔｒｏｌ－ｐｌａｎｅ）には、ＢＦ制御情報の一例であるＢｅａｍＩＤが含まれる。ＢｅａｍＩＤは、ＲＵにプリセットされた複数のＢＦパタンの中から１つを選択するための情報である。

本例では、ＢｅａｍＩＤを、ＢＦパタンの選択に使用するのではなく、ＲＵ４１０の選択に使用する。つまり、ＢｅａｍＩＤを、複数のＲＵ４１０をそれぞれ識別する識別情報であるＲＵＩＤに予め対応付けておく。そして、制御信号にて指定されたＢｅａｍＩＤに対応するＲＵＩＤを持つＲＵ４１０を、移動局との無線通信を行うＲＵとして選択する。選択されたＲＵ４１０は、ＢｅａｍＩＤに応じてＢＦパタンを切り替えるのではなく、固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する。

したがって、選択されたＲＵ４１０から発射される電波は、ＢｅａｍＩＤにかかわらずに図８のような指向性となるので、広いエリアをカバーすることができる。また、Ｂｅａｍサーチの処理において、移動局は最も良好な無線環境のＢｅａｍＩＤを選択してＲＵ４１０への送信を行うが、実際には全てのＢｅａｍＩＤに対して略同じような無線環境となり、いずれが選択されても問題がない。このため、従来の無線インタフェースを変更する必要がない。

以上のように、第１実施例や第２実施例に係る無線通信システムは、複数のアンテナ素子を用いて固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射するＲＵ４１０を有する基地局と、受信した電波を散乱反射する電波散乱コンポーネント４２０とを備え、ＲＵ４１０は、建物の床側に設置されて、建物の天井方向に向けてビーム状の電波を発射し、電波散乱コンポーネント４２０は、建物の天井側で且つビーム状の電波が発射される方向の延長線上に設置される。ＲＵ４１０は、本発明に係る無線アンテナユニットに対応し、電波散乱コンポーネント４２０は、本発明に係る電波散乱コンポーネントに対応する。

このような構成の無線通信システムによれば、建物の屋内における人流・モノなどの遮蔽物を回避して、基地局のカバーエリアを拡大することができる。すなわち、遮蔽物によって電波が阻害されるという課題の解決策の一つとなる。また、ＢＦ用の振幅制御および位相制御が不要なため、エリア拡大のコストを低減できる。また、電力増幅器やＬＮＡは１つでも足りる。また、無線アンテナユニット（ＲＵ４１０）のアンテナの素子数を増やすことで、アンテナ利得を増加させて電力を大きくすることができ、これは、電力増幅器やＬＮＡを増やすことと比較して有利である。

また、従来の無線アンテナユニットを天井や壁面に設置する場合は、光ファイバをはじめとする接続ケーブルや電源などを天井裏や壁の奥に配線する必要があり、敷設コストが高価となっていたが、本構成の場合は、無線アンテナユニットを床側に設置すればよく、天井側の電波散乱コンポーネントは電源を必要としないため、敷設コストを低減することができる。しかも、現代のＰＣ用ＬＡＮケーブルやハブのように設置できるので、５Ｇをはじめとする高周波を使った無線通信の普及やエリア拡大に貢献する。

また、従来は、天井敷設の無線アンテナユニットのメンテナンス作業を高所で行う必要であったが、本構成の場合は、地上（床など）でメンテナンス作業を行えるようになる。また、無線アンテナユニットが発射するビーム状の電波の調整や、基地局のカバーエリアの確認なども、地上側だけで行えるようになる。
以上のように、第１実施例や第２実施例に係る無線通信システムによれば、カバーエリアの拡大を実現しつつ、消費電力の抑制、無線機コストの削減、基地局敷設コストの低減を図ることが可能である。

ここで、上記の実施例では、床面に置かれたオブジェクトに無線アンテナユニットを設置しているが、無線アンテナユニットは床側の任意の位置に設置することが可能であり、例えば、無線アンテナユニットを床面に設置してもよい。ただし、無線アンテナユニットを床面に設置する場合には、人の往来によって電波の伝搬に影響が生じる可能性があるため、人の往来が無い場所（または少ない場所）に設置した方がよい。また、床面に置かれたオブジェクトに無線アンテナユニットを設置する場合には、アンテナ部品などの一部の部品のみをオブジェクトの上面に配置し、残りの部品はオブジェクトの下面や脚部などに配置する分離構成としてもよい。

なお、無線アンテナユニット（またはその設置位置）を視認し易い態様にしてもよい。これにより、移動局のユーザは、スポットエリアの約中心を把握できるので、その近傍で無線通信を試みることで、効率の良い無線通信を行えるようになる。また、無線アンテナユニットに移動局をかざした場合には、無線アンテナユニットを専用的に使用することができ、高速の無線通信を行えるようになる。

また、上記の実施例では、床側に配置した無線アンテナユニットから真上方向にビーム状の電波を発射しているが、ビーム状の電波の指向性を真上方向に対して傾けてもよい。この場合には、ビーム状の電波が発射される方向の延長線上に、電波散乱コンポーネントを設置すればよい。ただし、真上方向にビーム状の電波を発射する無線アンテナユニットを用いる方が、電波散乱コンポーネントと無線アンテナユニットの位置関係の調整が容易である。

また、上記の実施例では、固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する無線アンテナユニット（ＲＵ４１０）を使用しているが、複数のアンテナ素子を用いて任意の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する従来型の無線アンテナユニットを追加してもよい。つまり、従来型の無線アンテナユニットを建物の天井側に設置し、その無線アンテナユニットから建物の床方向に向けてビーム状の電波を発射するようにしてもよい。

なお、上記の実施例は、無線通信システムにおける基地局が複数の無線アンテナユニットを備えた分散アンテナシステムに本発明を適用したものであるが、本発明は、基地局が有する無線アンテナユニットが１つの場合にも適用することができる。この場合にも、カバーエリアの拡大を実現しつつ、消費電力の抑制、無線機コストの削減、基地局敷設コストの低減を図ることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態は例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明は、その他の様々な実施形態をとることが可能であると共に、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等の種々の変形を行うことができる。これら実施形態及びその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また、本発明は、上記の説明で挙げたような装置や、これら装置で構成されたシステムとして提供することが可能なだけでなく、これら装置により実行される方法、これら装置の機能をプロセッサにより実現させるためのプログラム、そのようなプログラムをコンピュータ読み取り可能に記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

本発明は、建物の屋内に配備される基地局を備えた無線通信システムに利用することが可能である。

１００：基地局、 １１０：ＣＵ、 １２０：ＤＵ、 １３０：ＲＵ、 ２００：基地局、 ２１０：ＣＵ、 ２２０：ＤＵ、 ２３０：ＢＢＵ、 ２４０：ＲＵ、 ２４２：カバーエリア、 ２５０：接続ケーブル、 ３１０：壁、 ３２０：柱、 ３３０：カバーエリア、 ３４０：不感地帯、 ３５０：天井、 ３６０：オブジェクト、 ４１０：ＲＵ、 ４２０：電波散乱コンポーネント、 ５０１：Ｏ／Ｅ変換器、 ５０２：Ｄ／Ａ変換器、 ５０３：周波数変換部、 ５０４：電力増幅器、 ５０５：ＴＤＤ－ＳＷ、 ５０６：アンテナ、 ５０７：ＬＮＡ、 ５０８：周波数変換部、 ５０９：Ａ／Ｄ変換器、 ５１０：Ｅ／Ｏ変換器、 ６０１：ＲＲＣ、 ６０２：ＰＤＣＰ、 ６０３：ＲＬＣ、 ６０４：ＭＡＣ、 ６０５Ｈ：ＰＨＹ－ｈｉｇｈ、 ６０５Ｌ：ＰＨＹ－Ｌｏｗ、 ６０６：ＲＦ

Claims (7)

1. 建物の屋内に配備される基地局を備えた無線通信システムにおいて、
   複数のアンテナ素子を用いて固定の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する無線アンテナユニットを有する基地局と、
   受信した電波を散乱反射する電波散乱コンポーネントとを備え、
   前記無線アンテナユニットは、前記建物の床側に設置されて、前記建物の天井方向に向けて前記ビーム状の電波を発射し、
   前記電波散乱コンポーネントは、前記建物の天井側で且つ前記ビーム状の電波が発射される方向の延長線上に設置されることを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記無線アンテナユニットは、前記建物の床側にあるオブジェクトの上面に設置されることを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記無線アンテナユニットは、前記建物の床面に設置されることを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記無線アンテナユニットは、前記ビーム状の電波を真上方向に発射するように設置されることを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１に記載の無線通信システムにおいて、
   前記アンテナ素子と他の電気部品とを電気的に接続する配線の長さが、全てのアンテナ素子で同じであることを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の無線通信システムにおいて、
   前記無線アンテナユニットおよび前記電波散乱コンポーネントを複数備えたことを特徴とする無線通信システム。
7. 請求項６に記載の無線通信システムにおいて、
   複数のアンテナ素子を用いて任意の方向に指向性を持つビーム状の電波を発射する別の無線アンテナユニットを更に備え、
   前記別の無線アンテナユニットは、前記建物の天井側に設置されて、前記建物の床方向に向けて前記ビーム状の電波を発射することを特徴とする無線通信システム。
   
   

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