JP4406369B2 - ビーム形成アンテナを用いて共通チャネルカバレージを提供する移動通信システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信システムに関する。より詳細には、本発明は、移動体通信をサポートする無線通信システムと、ビーム形成アンテナ（「スマート」アンテナ）を有する基地局を用いて容量を増強する方法とに関する。

無線通信システムは、従来技術においてよく知られている。そのようなシステムは、一般に、無線通信信号を相互に送受信する複数の通信局を含む。通常は、無線送受信装置（ＷＴＲＵ）の総称で知られている複数の加入者局（移動体を含む）との無線同時通信を実施できる基地局が設けられている。一般に、基地局という用語は、基地局、Ｎｏｄｅ−Ｂ、サイトコントローラ、アクセスポイント、または他の、無線環境でのインターフェース装置を含むが、これらに限定されない。ＷＴＲＵという用語は、ユーザ機器、移動局、固定加入者装置または移動加入者装置、ページャ、または他のタイプの、無線環境で動作可能な装置を含むが、これらに限定されない。

３ＧＰＰ（第３世代移動体通信システム標準化プロジェクト）（Ｔｈｉｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｎｅｒｓｈｉｐ Ｐｒｏｊｅｃｔ）で規定されたＵＭＴＳ（欧州次世代移動体通信システム）（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）では、基地局をＮｏｄｅ Ｂと呼び、加入者局をユーザ機器（ＵＥ）（Ｕｓｅｒ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）と呼び、Ｎｏｄｅ ＢとＵＥの間の無線ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）インターフェースをＵｕインターフェースと呼ぶ。

現在の３ＧＰＰ規格に従う標準的なＵＭＴＳシステムアーキテクチャを図１ａに示す。ＵＭＴＳネットワークアーキテクチャは、Ｉｕと呼ばれるインターフェースを介してＵＭＴＳ地上無線アクセスネットワーク（ＵＭＴＳ Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ Ｒａｄｉｏ Ａｃｃｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋ）（ＵＴＲＡＮ）と相互接続されるコアネットワーク（ＣＮ）を含む。Ｉｕについては、現在公開されている３ＧＰＰ規格文書で詳細に定義されている。

ＵＴＲＡＮは、Ｕｕ無線インターフェースを介してＵＥからユーザに無線通信サービスを提供するように構成される。ＵＴＲＡＮは、ＵＥを用いる無線通信の地理的カバレージを一括提供する基地局（Ｎｏｄｅ Ｂ）を有する。ＵＴＲＡＮでは、１つまたは複数のＮｏｄｅ Ｂのグループが、３ＧＰＰではＩｕｂと呼ばれるインターフェースを介して無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）に接続される。ＵＴＲＡＮは、異なるＲＮＣに接続されたＮｏｄｅ Ｂのグループを複数有することができる。図１ａの例では、２つのＲＮＣを示している。ＵＴＲＡＮ内に複数のＲＮＣが設けられると、Ｉｕｒインターフェースを介してＲＮＣ間通信が実施される。

既存のシステムでは、移動体が初めてオンになったときや、移動体が複数の基地局カバレージの領域を横切るときに、無線通信を実施するために移動体をどの基地局とペアにするかを決定しなければならない。システムの設計に応じて、移動体、通信ネットワーク、または基地局が、各移動体と基地局との組み合わせを決定する。

あるタイプの構成では、移動体が、すべての基地局から共通信号を受信して監視し、信号のサービス品質（ＱｏＳ）が最良である基地局に自身を同期させる。そのようなシステムでは、各基地局から放射されるビーコン信号は、干渉を起こしやすい全方向性高出力伝送である。

ビーム形成機能を含むスマートアンテナは、３ＧＰＰ移動通信システムなどの無線アクセスシステムの容量および／またはカバレージを強化するための有望な技術として広く認められている。スマートアンテナを用いる無線アクセスシステムの特徴は、ユーザを空間的に隔離できることである。ユーザに向けられた無線伝送、またはユーザから受信する無線伝送は、他のユーザとの相互干渉が最小になるように隔離される。図１ｂは、３ＧＰＰシステムのＵＥに焦点を合わせている、Ｎｏｄｅ Ｂのスマートアンテナを示している。

スマートアンテナを用いるＵＭＴＳなどの無線アクセスシステムは、超指向性アンテナを用いることによって、２つの面でシステムレベルの利点を引き出している。第１に、干渉が起きにくくなり、結果としてシステム容量が増える。第２に、システムカバレージが拡大し、結果として、リンクバジェットが強化される。スマートアンテナ技術によって無線カバレージが拡大することは、無線通信システムにとって特に魅力ある特徴となっている。移動体と無線アクセスポイントの間で情報交換のための無線リンクが専用チャネルでいったん確立していれば、ビーム形成を含むスマートアンテナ技術を適用するのは当然であると言える。

無線アクセスシステムでは、専用無線リンクだけでなく、共通チャネルも一般的に用いられる。共通チャネルを確立する目的は様々である。たとえば、１）（たとえば、３ＧＰＰ共有同期チャネル（ＳＣＨ）において）移動体の時間同期または周波数同期を可能にするため、２）（たとえば、３ＧＰＰブロードキャストチャネル（ＢＣＨ）において）電源投入直後のネットワークへの登録に不可欠なシステム情報のブロードキャストのため、３）（たとえば、３ＧＰＰページングインジケータチャネル（ＰＩＣＨ）、ページングチャネル（ＰＣＨ）、および転送アクセスチャネル（ＦＡＣＨ）において）アイドルモードの移動体を呼び出すためなどである。

統計的な意味では、ダウンリンク共通チャネルによって提供される地理的カバレージが、（ＵＭＴＳにおいて一般に「セル」と呼ばれる）基地局のカバレージエリアを定義する。より具体的には、無線アクセスシステムで提供されるサービスエリアは、共通チャネルのカバレージによって決定される。

米国特許出願第１０／３０５５９５号

無線アクセスシステムでカバーされるセルエリアの、スマートアンテナ技術による大幅な拡大は、そのようなシステムの利得をブーストする超指向性アンテナを用いることによって可能になる。指向性アンテナの利得は、アンテナの位置をそれと同等のアンテナによって推定できる場合に達成可能であり、逆も成り立つ。そのような状況は、一般に、移動体と無線アクセスポイントの間に専用無線リンクが確立されれば実現される。

共通チャネルの送信および受信にスマートアンテナを用いることは、無線アクセスシステムの現在の３ＧＰＰ規格で定義されていない。また、スマートアンテナ技術を用いることの利点は、共通チャネルの送信および受信に関しては未だ活用されていない。この理由として、ＢＣＨやＰＩＣＨなどの共通チャネルのカバレージを、位置が不明な移動体も含めて、すべての移動体に対して保証しなければならないことが挙げられる。より具体的には、無線アクセスネットワークは、すべての移動体が、何台かの移動体を呼び出すために、ネットワークとの同期、ブロードキャスト情報の読み取り、およびページングメッセージの監視を確実に行えるようにしなければならない。こうした複雑さから、共通チャネルを送信する無線アクセスシステムは、セルまたはセルセクタの全体をカバーする従来の全方向性アンテナを用いている。

スマートアンテナによる専用チャネルのカバレージの拡大に対応するために、ダウンリンク共通チャネルの送信電力を上げることが考えられる。しかしながら、すべての無線アクセスポイント（たとえば、基地局）で送信電力を上げることは、干渉を引き起こす原因にもなる。そのような解決法は、干渉による制限がある無線アクセスシステムでは効果がない。現時点における好ましい解決法は、干渉を最小限に抑えながら、スマートアンテナ技術の利点を活かしてカバレージを拡大する方法である。

本発明は、ビーム形成を含むスマートアンテナ技術を無線アクセスシステムに利用する。スマートアンテナの無線リンク向けの機能を共通チャネルに適用して、セルカバレージを大幅に拡大することが好ましい。移動体の無線通信の開始に関連して、全方向性サウンディングパルスを用いる。このサウンディングパルスは、インテリジェンスを有するか有しない無線周波数（ＲＦ）信号であって、移動体の従来のアップリンクチャネルと混同してはならない。

一実施形態では、複数の基地局を有する無線ネットワークが提供され、各基地局は、他の基地局の地理的カバレージエリアと重なり合っていてもいなくてもよいそれぞれの地理的カバレージエリアで無線通信サービスを提供する。基地局にはインターフェースを接続する。

無線通信は、少なくとも１つの基地局の地理的カバレージエリアにある無線移動体がまず全方向性サウンディングパルスを送信することによって確立される。そのサウンディングパルスを検出する各基地局が、検出したサウンディングパルスに関連する情報をインターフェースに伝達する。その伝達された情報に基づいて、サウンディングパルスを検出した基地局の１つが移動体通信用として選択される。選択された基地局が、通信ビームを移動体に方向づけて無線通信を確立する。

第１の実施形態の限定されない一例では、無線ネットワークがＵＭＴＳ地上無線アクセスネットワーク（ＵＴＲＡＮ）であり、各基地局がＮｏｄｅ Ｂであり、インターフェースが無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）であり、移動体が移動ユーザ機器（ＵＥ）である。そのような場合、関連するサウンディングパルス情報の伝達は、Ｎｏｄｅ ＢとＲＮＣの間で、別のＲＮＣを経由してＩｕｂ、またはＩｕｂとＩｕｒを組み合わせたインターフェースを介して行われる。基地局の選択は、ＲＮＣがＮｏｄｅ Ｂを選択して実施するのが好ましく、選択されたＮｏｄｅ ＢとＵＥとの間で確立された通信は、Ｕｕインターフェースを経由する。

各基地局は、選択的に動作可能なビーム形成アンテナを有することが好ましい。無線通信の確立には、検出したサウンディングパルスに関連した情報に基づいて選択された基地局のビーム形成アンテナに対する、移動体の相対位置の決定が含まれる。したがって、選択された基地局のアンテナは、通信ビームを方向づける際に、移動体の相対位置を包含する、選択された基地局によってサービスされるカバレージエリアの選択された部分をカバーする通信ビームを形成するように操作される。

形成された通信ビームは、共通チャネルを搬送することが好ましい。そのような場合、選択された基地局のアンテナは、その移動体の相対位置を包含する通信ビームを形成するとともに、その通信ビームが複数の移動体に共通チャネルサービスを提供するように、選択された基地局が無線通信をしている他の移動体もその通信ビームに包含されるように操作される。

移動体が、全方向性サウンディングパルスを送信してから所定の時間内に、基地局から方向づけられた通信ビームを受信しなかった場合は、通信の開始が再開されることが好ましい。したがって、移動体は、基地局との通信を開始するために全方向性サウンディングパルスを送信し、サウンディングパルスを検出した基地局からの通信ビームが確立されない場合は、より高い電力が可能なサウンディングパルスを次に送信するように構成される。

さらに、移動体は、基地局との通信の電力レベルを監視し、監視している電力レベルが所定のレベルを下回ったら通信の開始を繰り返すように構成されることが好ましい。さらに、移動体は、基地局との通信を開始するために、電力を高めて一連の全方向性サウンディングパルスを送信するように構成できる。

全方向性サウンディングパルスは、複数の移動体のそれぞれから送信される場合がある。そのような場合は、基地局によって検出された、それぞれの移動体からの識別可能な各サウンディングパルスに関連する情報が、それぞれ選択用インターフェースに伝達される。それぞれのインターフェースは、それぞれの移動体の識別可能なサウンディングパルスを検出した各基地局からの、それぞれの移動体の検出された識別可能なサウンディングパルスに関連する情報に基づいて、それぞれの移動体通信に使用する基地局を選択する。識別可能なサウンディングパルスを少なくとも１つの基地局によって受信されたそれぞれの移動体ごとに、それぞれ選択された基地局からの通信ビームがその移動体に方向づけられ、無線通信が確立される。

形成された通信ビームは、共通チャネルを搬送することが好ましい。場合によっては、第１の基地局が、第１の移動体との通信のために選択され、さらに、第２の移動体との通信のために選択される。したがって、この第１の基地局のアンテナは、形成されたビームが第１および第２の移動体の両方に共通チャネルサービスを提供するように、第１および第２の移動体の両方の相対位置を包含する通信ビームを形成するよう操作される。別の場合には、第１の基地局が第１の移動体との通信のために第１の選択されたインターフェースによって選択され、第２の基地局が第２の移動体との通信のために第２の選択されたインターフェースによって選択される。

少なくとも１つの基地局がサウンディングパルスを受信すると、測定により、受信電力レベルと、移動体に対する到来角の推定値を求めることができる。１つまたは複数の基地局からのこの情報を用いて、移動体の相対位置を求め、それによって、通信ビームを移動体に方向づけることができる。

第２の実施形態では、移動体が、無線通信を確立する基地局を選択する。第１の実施形態と同様に、少なくとも１つの基地局の地理的カバレージエリアにある移動体が全方向性サウンディングパルスを送信する。そのサウンディングパルスを検出する基地局が、その移動体に対して通信ビームを方向づける。移動体が受信した通信ビームに基づいて、サウンディングパルスを検出した基地局のうちの１つが選択される。こうして、選択された基地局と移動体の間で無線通信が確立される。

実装される無線ネットワークでは、基地局に制御インターフェースを接続できる。そのような場合は、サウンディングパルスを検出する各基地局が、検出したサウンディングパルスに関連する情報をそのインターフェースに伝達できる。その伝達された情報に基づいて、サウンディングパルスを検出した１つまたは複数の基地局を選択でき、この選択された基地局だけが通信ビームを移動体に方向づける。このようにして、無線アクセスネットワークは、移動体が行う選択を選択的に制限できる。

好ましい移動体は、全方向性サウンディングパルスを送信するように構成された送信機と、その移動体が送信したサウンディングパルスを検出した基地局からの通信ビームを受信する受信機とを含む。第２の実施形態を実装するために、移動体は、移動体が送信したサウンディングパルスを検出した基地局からの通信ビームを移動体が受信し、それに基づいて、無線通信を確立すべき基地局を選択するように構成されたプロセッサを含む。

各移動体は、全地球測位システム（ＧＰＳ）を装備できる。そのような場合、移動体は、装備したＧＰＳが求めた移動体の位置情報を含む全方位サウンディングパルスを送信するように構成されることが好ましい。移動体はさらに、移動体の識別情報を含む全方向性サウンディングパルスを送信するように構成されることが可能である。

本発明の他の目的および利点については、当業者であれば、以下の詳細な説明と関連図面から明らかであろう。

図面を参照して、本発明を説明する。図面全体を通して、類似する参照符号は、類似する要素を表す。本発明は、システムのダウンリンク共通チャネルの一部またはすべてに適用できる。本明細書では、簡略化のために、本発明がＵＭＴＳシステムのダウンリンク共通チャネルに適用されるとして説明する。ただし、提案する本発明は、任意の無線システムで適用可能である。

本発明は、移動体（すなわち、移動ＷＴＲＵ）が、それぞれの基地局によって提供されるそれぞれの地理的カバレージエリアに入るか、そこを通過する際の、その移動体に使用される基地局を選択するメカニズムを強化した、基地局がネットワーク接続されている無線アクセスネットワークを提供する。そのような移動体（たとえば、図１ａに示したＵＥ）は、一般に、送信機、受信機、および通信信号プロセッサを含む。ネットワークは、選択を行う何らかのタイプの基地局インターフェースを含むことが好ましい。３ＧＰＰネットワークのノードＢの場合、そのようなインターフェースは、無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）である。ただし、一代替実施形態は、移動体による自主的選択を実現する。

基地局は、セルまたはセルセクタの全体を通して完全に均一なカバレージを提供する代わりに、ビーム形成を含むスマートアンテナ技術を用いて、少なくともいくつかの（好ましくは、すべての）ダウンリンク共通チャネルを個々の移動体に選択的に方向づける。図１ｂは、３ＧＰＰシステムにおいて、破線で示したセル内を移動する移動体ＵＥ１に対する、ノードＢによるそのようなカバレージを表す。基地局による、ダウンリンク共通チャネルまたはビーコンチャネルのカバレージは、スマートアンテナを用いる専用チャネルのカバレージと一致することが好ましい。

図１ｃの破線で示すように、相互に排他的なセルのパターンをマッピングすることによって、無線アクセスネットワークのカバレージエリア全体を表すことができる。しかしながら、各基地局のサービスを受けることのできる実際の地理的カバレージエリアは、一般には、名目上のセルマッピングを越えて広がり、隣接する基地局の実際の地理的カバレージエリアと重なり合っている。たとえば、図１ｃに示した移動体ＵＥは、基地局ＢＳ_１、ＢＳ_２、ＢＳ_４の少なくともいずれかのサービスを受けることができる。

図２は、本発明の一実施形態に従う基地局選択手続きのフロー図である。最初のステップ２０２では、移動体が、均一に放射状に広がる無線周波数（ＲＦ）パターンを生成する全方向性アンテナを用いて、サウンディングパルスを放射する。そのサウンディングパルスを受信した各基地局は、ステップ２０４に示すように、その情報をＲＡＮ（無線ネットワークコントローラ）に伝達する。たとえば、図１ｃで移動体ＵＥが放射したサウンディングパルスは、基地局ＢＳ_２およびＢＳ_４で受信される可能性が高いが、基地局ＢＳ_１でも受信が可能であり、場合によっては基地局ＢＳ_６およびＢＳ_７でも可能である。

それらの受信した基地局を制御するＲＮＣは、同じＲＮＣであってもなくてもよい。複数のＲＮＣが関与する場合は、自身に関連付けられたノードＢ基地局の１つから伝達情報を最初に受け取ったＲＮＣが、決定を行うＲＮＣとなり、図１ａに示したように標準のＩｕｒインターフェースを介するなどしてサウンディングパルスを受け取った他の基地局に関連付けられたＲＮＣが伝達してきたサウンディングパルス情報を受け取ることが好ましい。基地局が別のＵＴＲＡＮにある場合は、決定を行うＲＮＣへの伝達を、既存の３ＧＰＰシステムのコアネットワークを介して行うことができる。

ＲＡＮは、サウンディングパルスを受信した基地局の１つを選択し、選択した基地局から移動体への方向を特定する（ステップ２０６）。選択決定は、受信信号の強度に基づいて行うことが好ましい。所定の最小強度を上回るサウンディングパルスを複数の基地局が受信した場合は、選択プロセスにおいて他の標準的なサービス品質（Ｑｏｓ）条件を比較することができる。また、選択決定において、ネットワーク全体のトラフィックを、本発明の譲受人が所有する（特許文献１）に開示されているように考慮できる。

決定を行うＲＮＣが、選択された基地局に直接関連付けられたＲＮＣでない場合は、選択された基地局のＲＮＣを用いて、選択された基地局から移動体への方向を特定できる。ただし、ネットワーク全体のトラフィックが評価されている場合は、ＲＮＣがすべてのデータをコアネットワークに伝達でき、基地局の選択または選択の支援にコアネットワークを利用できる。ＲＮＣまたはＵＴＲＡＮに関する通信トラフィックが所定の最小レベルに達した場合は、そのような代替動作をトリガできる。図１ｃで暗示されるように、基地局ＢＳ_２およびＢＳ_４のほうが移動体ＵＥに近接していても、Ｑｏｓやネットワーク全体のトラフィックを考慮して基地局ＢＳ_１が選択される可能性もある。

ステップ２０８に示すように、選択された基地局は、選択されるやいなや、そのダウンリンク共通チャネルの送信を、図１ｂに示したように移動体に方向づける。基地局は、この目的のためにビーム形成アンテナを備えることが好ましく、ビームの方向は、移動体の位置の推定値に基づくことが好ましい。送信および／または受信用の基地局アンテナからのビームが特定の形状およびサイズの特定の地理的エリアをカバーするように、指向性アンテナ、フェーズドアレイアンテナ、または他のタイプのアンテナシステムを設けることができる。位置の推定値はいくつかの方法で求めることができるが、１つまたは複数の基地局によるサウンディングパルスの受信に関連する情報に基づくことが好ましい。１つまたは複数の基地局からのビームの強度および／または受信角度の定量的な測定を従来の方法で行い、移動体の相対位置を算出できる。これは、３ＧＰＰタイプのシステムでは、ＲＮＣまたはＮｏｄｅ Ｂで行うことができる。あるいは、地理的位置データは、移動体がサウンディングパルスに添付でき、相対位置は、選択された基地局のアンテナの既知の位置との比較によって求めることができる。移動体は、この目的のために、全地球測位システム（ＧＰＳ）を装備できる。

サウンディングパルスは、等方向性アンテナを用いて送信されるのが好ましい物理信号である。等方向性アンテナは、あらゆる方向に対して均一に放射または受信を行うアンテナである。サウンディングパルスの形状は、無線アクセス技術に依存することが好ましい。たとえば、ＣＤＭＡベースのシステムでは、複数のチップにまたがる、継続時間が非常に短いバースト（短いクリップシーケンス）でサウンディングパルスを表すことができる。

サウンディングパルスのタイミングは、無線アクセス技術に依存する、物理信号の実装および実現に依存する。無線通信媒体の種類によって、必要とするパルスタイミング構造が異なる。たとえば、ＦＤＤ−ＣＤＭＡサウンディングパルスは、ＴＤＤ−ＣＤＭＡサウンディングパルスとは異なる。

サウンディングパルス自体を定義する物理信号は、Ａｌｏｈａ手法またはＳｌｏｔｔｅｄ Ａｌｏｈａ手法で実現できる。Ａｌｏｈａライクな手法では、移動体は単に、いつでも必要なときにサウンディングパルスバーストを送信する。Ａｌｏｈａライクなシステムでは、タイミングの制約はない。移動体が基地局からの応答を取得しない場合は、「接続」障害と見なす。その場合は、バックオフ処理を実施する。この処理は、基本的に、移動体がランダムな長さの待機時間を経て再送信した後、接続を再試行する。

Ｓｌｏｔｔｅｄ Ａｌｏｈａライクな手法では、移動体が特定のタイムスロットでサウンディングパルスを送信する。この手法では、ある種のマスタタイミングが必要である。障害の場合、バックオフ処理は、移動体がランダムな数のタイムスロットの待機時間を経て再送信することに対応する。

状況によっては、複数の移動体が同じＲＡＮのアテンションを取得するために同時にパルスを送信することがある。これが発生し、Ｎｏｄｅ Ｂが両方の移動体からの信号を区別できる場合は、ＲＡＮがノードＢを選択して共通チャネルを各移動体に方向づける。Ｎｏｄｅ Ｂが各移動体からの信号を区別できない場合、ＲＡＮは、共通チャネルを各移動体に方向づけるための適切なＮｏｄｅ Ｂ選択を行うことができない。この場合は、各移動体が次にパルスを送信するまで待機してから選択することが好ましい。これらの移動体からの後続のパルスが衝突しないようにするために、移動体に対するバックオフ処理は、ランダムな長さの待機時間を経てサウンディングパルスを再送信することにより、さらなる衝突を回避することを含むことが好ましい。後述の変形形態のように、後続のパルスの送信時に電力を高めることができる。

図２に示した手続きの一変形形態を図３に示す。移動体がネットワークサービスエリアに入ると（ステップ３０２）、ただちに、１つ目のサウンディングパルスを低電力で放射する（ステップ３０４）。ただし、移動体は、単一パルスではなく連続するパルスを放射し、サウンディングパルスを連続して放射しながら送信電力を徐々に増大させる（ステップ３０６）。連続する各パルスは、その直前のパルスより高い電力で送信されることが好ましい。

それぞれが少なくとも１つのサウンディングパルスを検出した１つまたは複数の基地局が、そのサウンディングパルス受信情報をＲＡＮに伝達する（３０８）。ＲＡＮは、その基地局の１つを選択し、移動体の相対位置を算出する（ステップ３１０）。選択された基地局は、スマートアンテナ技術を用いて、１つまたは複数のダウンリンク共通チャネルを移動体に方向づける（ステップ３１２）。移動体は、そのダウンリンクチャネルを受信し、選択された基地局を介して別の移動体との通信を開始できる（ステップ３１４）。

いずれの実施形態においても、ＲＡＮ（無線アクセスネットワーク）は、サウンディングパルスの検出後、ただちに、サウンディングパルスに対して実施された測定の結果を用いて、選択された基地局の、スマートアンテナによる１つまたは複数のダウンリンク共通チャネルの送信を方向づけることが好ましい。たとえば、サウンディングパルスの受信信号電力と、単一基地局を基準とする信号の到来角から、移動体の位置と、スマートアンテナを用いて共通チャネルを放射する方向を求めることができる。ただし、ＲＮＣは、移動体の地理的位置の計算をより正確に行うために、サウンディングパルスの受信情報を伝達したすべての基地局から受け取ったデータの相関をとることができる。

移動体は、その存在を、電源投入直後またはＵＴＲＡＮサービスエリアに入ったときにＲＡＮに知らせることが好ましい。したがって、基地局は、新しい移動体の出現を検出するために、一定の時間間隔で、または連続的に、サウンディングパルスをリスンしなければならない。さらに、特定の基地局との関係を維持するために、特定の基地局に対してとどまっている（すなわち、通信をアクティブに実施していない）移動体は、位置を確実に追跡されるように周期的なパルス送信をスケジュールすることが好ましい。そうすれば、そのような移動体に方向づけた通信を即座に接続できる。

サウンディングパルスの送信および検出を容易にするために、アップリンクサウンディングパルスのアクセス機会に関するタイミング情報を提供する特定のダウンリンク共通チャネルを、全方向性アンテナを用いて送信することができる。ただし、これは、そのような同期チャネルのカバレージが、ダウンリンク容量を犠牲にすることなく確保できる場合のみ、実施されることが好ましい。

図３の実施形態の一変形形態では、次のような電力立ち上げ手続きに従って、一連のサウンディングパルスを送信する。ある移動体が、最初のサウンディングパルスを、ステップ３０４のように低電力レベルで送信する。一定時間の間、基地局からの応答を受信しない場合、移動体は、送信電力を高めて、サウンディングパルスの送信を再試行する。基地局から十分なダウンリンク通信を受信するまで、この手続きを繰り返す。つまり、ステップ３０８、３１０、および３１２を実施したら、ステップ３０６をスキップするか中止する。電力を「高めた」サウンディングパルスを送信するまでの時間は、一定にすることも、移動体で実施されるランダムバックオフ処理によって決定することもできる。さらに、電力の１回の上げ幅を固定にすることも可変にすることもできる。

サービスエリアに入ってすぐにサウンディングパルスを送信することに加えて（またはその代替として）、１つまたは複数の選択された共通チャネルのＲＳＣＰ（希望波受信電力）（ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｄｅ ｐｏｗｅｒ）が所定のしきい値レベルを下回ったときにサウンディングパルスを送信するよう移動体を構成できる。さらに、無線アクセスネットワークが移動体の位置を特定した後、ただちに、ネットワークと移動体の間で登録情報および認証情報が交換されることが好ましい。ネットワーク登録は、現在の無線システムと同様の従来のプロトコルを用いて実施されることが好ましい。

本発明は共通チャネルのダウンリンクでのスマートアンテナの使用に関するが、アップリンクの登録情報および認証情報は、スマートアンテナを用いて送信する必要がない。ページングメッセージの監視を含むさらなるアイドルモード動作の間も、システム情報およびブロードキャスト情報の更新、ネットワーク同期、およびその他の処理を、サウンディングパルスを用いるメカニズムによって行い、退去した移動体を追跡するようにする。退去した移動体とは、その移動体との通信のために選択されていた基地局の、焦点が合っているアンテナの周縁部の下から外に出た移動体である。

従来のＵＭＴＳシステムの断続的な受信の場合と同様に、アイドルモードの移動体は、ページングチャネルや、ブロードキャストチャネル（ＢＣＨ）に関するシステム情報の更新などの、１つまたは複数の共通チャネルを「目を覚まして」取得しなければならない。所望の共通チャネルの受信電力が十分でない場合に、無線アクセスネットワークが基地局のスマートアンテナを用いて共通チャネルの送信の方向を変えられるように移動体がサウンディングパルスを送信するよう、移動体を構成することができる。

従来のＤＲＸサイクルを用いる移動体の場合は、新たな用途が実現される。ＤＲＸサイクルは、移動体が、ネットワークとの連絡が途絶えたときに戻るモードである。移動体がネットワークから切り離された場合、移動体は、前述のように本発明に従って共通チャネルを取得するまで、ＤＲＸサイクルごとに周期的にサウンディングパルスを送信することが好ましい。

移動体がカバレージエリアを横切る際には（より具体的に言うと、特定のセルのカバレージエリアを離れるやいなや）、その移動体との通信を円滑に行うために適切な基地局を再選択することが必要になる。これは、前述のプロセスに従い、３ＧＰＰ ＲＮＣなどの基地局インターフェース装置を用いて行うことができる。代替として、基地局自体を選択または再選択できるように移動体を構成できる。

移動体の自主的選択は無線通信の開始にも同様に適用できるが、図４では、本発明の第２の実施形態に従う、移動体の自主的選択による再選択手続きを示す。再選択の場合、移動体は、現在選択されている基地局から送信されているダウンリンク共通チャネルの受信電力を監視して、所定のしきい値を下回っていないかどうかを判断する（ステップ４０２）。しきい値を下回ると、移動体がサウンディングパルスを送信する（ステップ４０４）。サウンディングパルスを受信した近隣の基地局が、受信後ただちに、ダウンリンク共通チャネルの送信を移動体に方向づける（ステップ４０６）。

図１ｃで表される状況では、移動体ＵＥに通信をサービスするために基地局ＢＳ_１があらかじめ選択されていて、その移動体ＵＥが、基地局ＢＳ_１がサービスする名目上のセルから外に出た後にサウンディングパルスを放射している。この図では、基地局ＢＳ_２およびＢＳ_４が、パルスを受信し、ダウンリンク共通チャネル（たとえば、ビーコンチャネル）を移動体ＵＥに方向づけている。この代替実施形態では、移動体は、そのような近隣の基地局から受信したダウンリンク共通チャネルを比較した結果に基づいて基地局を選択する（ステップ４０８）。ネットワークを基準として移動体の位置を適切に再指定するために、セル登録処理は、新しく選択された基地局を介して実施されることが好ましい（ステップ４１０）。

無線アクセスネットワークは、基地局の送信を制御できることから、移動体がそのセルを選択するかを制御できる。ＲＮＣは、複数の基地局からのサウンディングパルスの受信後、ただちに、三角測量技法と、サウンディングパルスに関するすべての基地局からの測定値とを用いて、移動体の位置を推定できる。無線ネットワークコントローラは、移動体の位置を利用して、ただ１つの基地局から、すなわち、移動体が選択すべき基地局としてＲＮＣが指定する基地局から、共通チャネルの送信を方向づけることができる。この種の制御は、特定のノードＢのネットワーク全体での使用率および容量を評価する場合に特に有用であり、したがって、任意の時刻においてネットワークリソースをよりよく利用するために特に有用である。

サウンディングパルスは、通常の電気通信用のアップリンクおよびダウンリンクの周波数からはずれた周波数で発生させることができるので、周波数の輻輳を軽減できる。たとえば、ＣＤＭＡの現在の配置では、通常、少なくとも１．２５ＭＨｚずつ隔てたチャネルが移動体に割り当てられ、これにより、現在の周波数割り当て方式では約４２チャネルが得られる。一般に、アップリンク送信周波数は、ダウンリンク送信周波数より４５ＭＨｚ低い。したがって、サウンディングパルスは、アップリンクまたはダウンリンクの送信周波数の近傍にあって、それらの周波数と同じでない周波数に割り当てられることが好ましい。

一般にサウンディングパルスは、特定の情報を含まない、単純な短い信号であることが好ましいが、任意選択で、サウンディングパルスは移動体からの識別情報を含むことができる。そのような情報があれば、基地局は、複数の移動体から同時に受信したパルスを容易に特定して区別できる。この情報は、移動体がネットワークへの接続を必要とする理由を示すことができる。たとえば、移動体は、単純にネットワークに登録されることを必要としたり、呼のセットアップを必要としたりする場合がある。

他の変形形態や代替物も当業者にとっては明らかであり、それらは本発明の範囲内であると見なされる。

現在の３ＧＰＰ規格に従う標準的なＵＭＴＳシステムアーキテクチャを示す図である。 ３ＧＰＰシステムのＵＥに焦点を合わせている、Ｎｏｄｅ Ｂのスマートアンテナを示す図である。 スマートアンテナを用いた、３ＧＰＰシステムのノードＢ基地局のネットワークでカバーされるセルを、ＵＥが通過する様子を示す図である。 本発明の一実施形態に従う基地局選択手続きのフロー図である。 本発明の一実施形態に従う基地局選択手続きの一変形形態のフロー図である。 本発明の一実施形態に従う再選択手続きのフロー図である。

Claims (31)

1. 基地局において、無線通信を確立する方法であって、
   無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）から全方向性サウンディングパルスを検出するステップと、
   前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する情報を選択デバイスに伝達するステップと、
   前記選択デバイスから、前記ＷＴＲＵの相対位置と、前記ＷＴＲＵとの無線通信を確立するための通知と、を受信するステップと、
   選択的に動作可能なビーム形成アンテナを使用して前記ＷＴＲＵの前記相対位置に向けて共通チャネルを方向付けるステップと、
   前記ＷＴＲＵとの無線通信を確立するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する前記伝達される情報は、前記ＷＴＲＵの前記相対位置を決定することを促進する情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する前記伝達される情報は、信号強度情報を含み、前記信号強度情報は、前記受信した信号強度が閾値を越えることを示すことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する前記伝達される情報は、地理的情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 周期走査ビーコンチャネルを伝送するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記全方向サウンディングパルスを検出するステップは、複数の全方向性サウンディングパルスの中から少なくとも１つを検出するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記複数の全方向性サウンディングパルスは、第１の信号強度を有する第１のパルスと、第２の信号強度を有する第２のパルスとを含み、前記第２の信号強度は前記第１の信号強度よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 基地局において、無線通信を確立する方法であって、
   無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）から全方向性サウンディングパルスを検出するステップと、
   選択的に動作可能なビーム形成アンテナを使用して前記ＷＴＲＵの前記相対位置に向けて共通チャネルを方向付けるステップと、
   前記ＷＴＲＵとの無線通信を確立するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する情報に基づいて前記ＷＴＲＵの相対位置を決定するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する前記情報は、信号強度情報を含み、前記信号強度情報は、前記受信した信号強度が閾値を越えることを示すことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記全方向性サウンディングパルスは、地理的情報を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 周期走査ビーコンチャネルを伝送するステップをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記全方向サウンディングパルスを検出するステップは、複数の全方向性サウンディングパルスの中から少なくとも１つを検出するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
14. 前記複数の全方向性サウンディングパルスは、第１の信号強度を有する第１のパルスと、第２の信号強度を有する第２のパルスとを含み、前記第２の信号強度は前記第１の信号強度よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 選択的に動作可能なビーム形成アンテナと、
    無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）から全方向サウンディングパルスを検出するように構成される受信機と、
    前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する情報を選択デバイスに伝達するように構成される送信機と、
    前記ＷＴＲＵの相対位置と、前記ＷＴＲＵとの無線通信を確立するための通知と、を受信することに応じて、前記ビーム形成アンテナを選択的に動作させて前記ＷＴＲＵの前記相対位置に向けて共通チャネルを方向付けることによって、前記ＷＴＲＵと無線通信を開始するように構成されるプロセッサと
    を備えることを特徴とする基地局。
16. 前記送信機は、前記選択デバイスに信号強度情報を伝達するように構成され、前記信号強度情報は、前記検出した全方向性サウンディングパルス信号強度が閾値を越えたことを示すことを特徴とする請求項１５に記載の基地局。
17. 前記全方向性サウンディングパルスは、地理的情報を含むことを特徴とする請求項１５に記載の基地局。
18. 前記選択的に動作可能なビーム形成アンテナは、周期走査ビーコンチャネルを伝送するように構成されることを特徴とする請求項１５に記載の基地局。
19. 選択的に動作可能なビーム形成アンテナと、
    無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）から全方向サウンディングパルスを検出するように構成される受信機と、
    前記全方向サウンディングパルスを検出することに応じて、前記ビーム形成アンテナを選択的に動作させて前記ＷＴＲＵの前記相対位置に向けて共通チャネルを方向付けることによって、前記ＷＴＲＵと無線通信を開始するように構成される送信機と
    を備えることを特徴とする基地局。
20. 前記送信機は、前記検出した全方向性サウンディングパルスに関連する情報から前記ＷＴＲＵの相対位置を決定するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の基地局。
21. 前記送信機は、信号強度情報から前記ＷＴＲＵの前記相対位置を決定するように構成され、前記信号強度情報は、前記検出した全方向性サウンディングパルス信号強度が閾値を越えたことを示すことを特徴とする請求項２０に記載の基地局。
22. 前記受信機は、前記全方向性サウンディングパルスにおける地理的情報を検出するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の基地局。
23. 前記選択的に動作可能なビーム形成アンテナは、周期走査ビーコンチャネルを伝送するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の基地局。
24. ＷＴＲＵから複数の全方向性サウンディングパルスを検出し、閾値よりも大きい信号強度を有する前記ＷＴＲＵからの全方向性サウンディングパルスを検出することに応じて、前記ＷＴＲＵと無線通信を開始するように構成されることを特徴とする請求項１９に記載の基地局。
25. 無線送受信ユニット（ＷＴＲＵ）であって、
    基地局と無線通信を確立するために全方向サウンディングパルスを送信するように構成されたアンテナを有し、
    前記ＷＴＲＵは、
    前記基地局から指向性共通チャネルを受信し、
    前記基地局と前記無線通信を開始するように構成されることを特徴とするＷＴＲＵ。
26. 前記全方向性サウンディングパルスにおける信号強度情報を含むように構成された請求項２５に記載のＷＴＲＵ。
27. 前記全方向性サウンディングパルスにおける位置情報を含むように構成された請求項２５に記載のＷＴＲＵ。
28. 位置情報を決定するように構成された全地球測位システム（ＧＰＳ）デバイスをさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載のＷＴＲＵ。
29. 前記アンテナは、全ての方向に等しく送信するように構成された等方向性アンテナであることを特徴する請求項２５に記載のＷＴＲＵ。
30. 前記アンテナは、指向性ビームと、複数の指向性サウンディングパルスを含む全方向性サウンディングパルスと、を送信するように構成される選択的に動作可能なビーム形成アンテナであることを特徴とする請求項２５に記載のＷＴＲＵ。
31. 前記アンテナは、一連の全方向性サウンディングパルスを送信して新しい無線通信を確立するように構成され、各パルスは以前のパルスよりも大きい信号パワーで送信されることを特徴とする請求項２５に記載のＷＴＲＵ。

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