JP4436247B2 - ビーム形成および掃引を使用して、セクタセル（ｓｅｃｔｏｒｉｚｅｄｃｅｌｌ）を効率的にカバーするシステム - Google Patents

Description

セクタ化（ｓｅｃｔｏｒｉｎｇ）は、個々のセル（ｃｅｌｌ ｓｉｔｅ）と異なるカバー領域を提供するための周知の技法であり、本技術分野で周知の「スマートアンテナ」技術で達成することができる。スマートアンテナ法は、アンテナの放射パターンを動的に変更して、アンテナの通信範囲の起伏形状（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｃｏｖｅｒａｇｅ）を集束する「ビーム」を形成するものである。

ビーム形成は、セクタについて方向と幅を調整することができる点で、セクタ化を強化する技術である。どちらの技法も、１）セルと、そのセル内で展開されているユーザ機器（ＵＥ）との間の干渉を低減し、２）受信器と送信器の間の範囲を増大し、３）ＵＥを突き止めるために使用される。これらの技法は、通常、ＵＥのおおよその場所が既知となった後に、ＵＥの専用チャネルに適用される。

ＵＥの場所が既知となる前に、ＵＥすべてが受信することができる情報が、共通チャネルで同報送信（ｂｒｏａｄｃａｓｔ）される。この情報は静的なセクタ内で送信される場合があるが、可変のビーム内では送信されない。この手法には、専用データ交換に使用するための適切なビームを決定するために余分なステップが必要とされる点で、特有の非効率な部分を有している。さらに、ビームは一般に、広いカバー領域を提供するために十分大きくなければならず、これは、ビームの電力が送信器から離れるに従い、より小さくなることを意味する。そのような場合には、ビームは、同じ範囲をカバーするために、より大きな電力を使用し、より長いシンボル時間、および／またはより頑健な符号化方式を有していなければならないこととなる。

図１に、従来技術方式を使用する共通チャネル通信範囲が４つの重なり合う幅広ビームとして示されている。これにより全方向性の通信範囲が可能となる一方、ある程度の再利用がセルにおいて可能となる。また、各セクタに独自の識別子を送信させることによって、伝送の１つを検出するＵＥ（ＵＥ１、ＵＥ２）の方向性が粗くなる。

図２を参照すると、一次局（Ｐ）といくつかのＵＥ（ＵＥ３、ＵＥ４）との間のダウンリンク専用ビームが示されている。図１と図２についての一次局（Ｐ）からの同じ電力と、他の属性すべてが等しいと仮定すると、図２に示されているＵＥ（ＵＥ３およびＵＥ４）は、図１に示されているＵＥ（ＵＥ１、ＵＥ２）より一次局Ｐから遠く離すことができる。あるいは、シンボルレートを減少させ、および／または誤り訂正符号化を増大することによって、カバー領域をほぼ同じにすることができる。これらの手法のどちらでも、データ送達速度（ｄａｔａ ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｒａｔｅ）が減少してしまう。また、これは、一次局Ｐの受信器アップリンクビームパターンにも当てはまり、通信範囲と選択肢に関する点で、ＵＥから一次局Ｐへのデータにも同様のことが当てはまる。

従来技術では、一般により高い電力と、より低いシンボルレートと、誤り訂正符号化と、時間、周波数、または空間におけるダイバシティとを組合せることによって一次局ＰまたはＵＥの範囲が増大する。しかし、これらの方法の結果、動作を最適化することができない可能性がある。さらに、通信範囲が位置合わせされる方法においては、共通通信チャネルと専用通信チャネルとの間に不一致が生じる。

従来技術方式に問題を回避して、セクタセルを効率的にカバーすることが求められている。

アンテナを含む少なくとも１つのビームを使用して、セクタセル内で、少なくとも１つの一次局と少なくとも１つの二次局との間の通信を送受信するための通信システムが提供される。本システムは、ビームを生成し形作るデバイスと、形作られたビームを掃引するデバイスとを含む。掃引するデバイスは、複数の方向に、形作られたビームを選択的に向けて送る。

本発明について、図を参照して説明するが、同じ符号は全体にわたって同じ要素を表すものとする。ビーム形成について前述したことは、信号の送信にも、その受信にも適用可能である。たとえば、送信ビームがより狭いと、ビーム外側のデバイスに対して干渉を引き起こすことが、より少なくなる。逆に、受信ビームがより狭いと、ビーム外側の信号からの干渉が減少される。本発明の前述の説明は、信号の受信にも送信にも適用可能である。この説明の特定部分の文脈は、事実がどちらかでないとき、受信または送信を明示的に指すことがある。

共通チャネルは、その名前が暗示するように、すべてのデバイスによって使用されるものである。本発明の方法およびシステムは、専用チャネルを最終的に確立するために、有用な情報をシステムとＵＥとに提供する形で、これらの共通チャネルのフォーマットを行なう。

図３を参照すると、波線の輪郭は、一次局（ＰＳ）から発する共通チャネルビームＢについて可能な位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎを表す。特定の時間には、ビームＢは、実線の輪郭によって示されている位置Ｐ_１の１つだけに存在する。矢印は、ビームＢの時間的順序を示す。この図では、ビームＢは、ある時計回りの位置Ｐ_１から別のＰ_２〜Ｐ_ｎに順次移動するが、時計回りの回転は必要でない。

本システムでは、位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎの各々でビームＢを識別することが可能となる。ビームＢを識別するための第１の実施形態においては、ビームＢが各位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎにある間に、一意の識別子が送られる。たとえば、第１の位置Ｐ_１で第１の識別子Ｉ_１が送信されることになり、第２の位置Ｐ_２で第２の識別子Ｉ_２が生成されることになり、位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎの各々について以下同様である。ビームＢが連続的に掃引される場合、回転の各角度（または予め設定された角度数）について異なる識別子Ｉ_１〜Ｉ_ｍが生成される可能性がある。

ビームＢの位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎを識別するための第２の実施形態においては、ＵＥがＰＳに返すあるタイプの識別子として時間マークが使用される。時間マーク（または識別子）をＰＳに返すことにより、どのビームＢがＵＥによって検出されたかＰＳに通知される。ＰＳは今、その時間について、ＵＥと通信することが可能であったビームＢの位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎを把握している。しかし、考えられる反射により、これは必ずしもＰＳからのＵＥの方向ではないことに留意されたい。

ビームＢの位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎを識別するための第３の実施形態においては、時間同期が使用される。ビームＢは、位置決めされて既知の時間マークに相関される。これを達成する１つの方法は、ＵＥとＰＳ双方について、全地球測位システム（ＧＰＳ）、米国標準技術局（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）インターネット時刻または無線時刻ブロードキャスト（ＷＷＶ）、あるいは適切な同期が維持されているローカルクロックなど、同じ時間基準にアクセスさせる。

ビームＢの位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎを識別するための第４の実施形態においては、ＵＥとＰＳとは、インフラストラクチャ伝送から入来するタイミングマークに同期する。ＵＥは、ＰＳを識別するビーム伝送を検出することができるが、必ずしも個々のビームＢ位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎは検出することができない。ＵＥが、ビームＢを検出したとき時間要素をＰＳにレポートすることにより、ＰＳは、どのビームＢをＵＥが参照しているか判定することができる。この実施形態の利点は、共通チャネル伝送が、ビームＢ位置のＰ_１〜Ｐ_ｎを識別するために余分なデータを負う必要がないことである。

ビームＢの位置を識別するための第５の実施形態においては、ＧＰＳ受信器がＵＥ内に組み込まれる。ＵＥは、その地理的場所を緯度と経度によって決定し、この情報をＰＳにレポートすることができる。ＰＳは、この情報を使用してビームＢの方向、ビーム幅、電力を正確に生成することができる。この実施形態の別の利点は、必要が生じたときユーザがＵＥを突き止めることができるＵＥについて得られる場所が正確なことである。

図４を参照すると、ロケーションパターンは、管理者が望むように調整することができる。このようにして、ＰＳは、特定のエリア内で予想されるＵＥの密度に適合したパターンで、ビームＢを位置決めすることができる。たとえば、幅広ビームＷ_１、Ｗ_２、Ｗ_３は、ＵＥが少ない場合、それぞれ位置Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３内に投入することができ、ＵＥが多い場合、より狭いビームＮ_４、Ｎ_５、Ｎ_６をそれぞれ位置Ｐ_４、Ｐ_５、Ｐ_６内に投入することができる。これは、より密集した領域内で、より狭い専用ビームＢの作成を容易にし、また、初期通信を確立するために、共通チャネルのアップリンク使用およびダウンリンク使用のための能力を高める。

ビーム幅の操作は、リアルタイムに実行されることが好ましい。しかし、通信の条件と適用例の性質により、ビーム位置Ｐ_１〜Ｐ_ｎの数とその関連するビーム幅パターンが妥当であるか否かが決定される。形成されるビームパターンは、ビームに入る、またビームを離れるＵＥの数を他のビームに対し過剰なハンドオフを生じさせることなしに処理することができるように、十分広いものとすべきである。静止デバイスは、狭いビームによってサービスを提供することができる。たとえば、高速で移動する車は、交通の流れに垂直な狭いビームによっては効果的にサービスを提供することができないが、移動方向に平行な狭いビームによってサービスを提供することができるであろう。狭い垂直なビームは、ショートメッセージサービスにのみ適し、電話呼など音声サービスに適していないということができる。

様々なビーム幅を使用することによって、領域内でのＵＥの移動の性質の点で好都合な点がある。図５を参照すると、（主に移動がより遅い歩行者速度デバイスＵＥ_ｓを有するエリアを表す）建築物ＢＬが示されており、（主に、より速く移動するデバイスＵＥ_ｆを有するエリアを表す）高速道路Ｈが示されている。より低速なデバイスＵＥ_ｓは、通信時間中に横切る可能性の高い、狭いビームＮ_１〜Ｎ_３によってサービスを提供することができる。あるいは、より速く移動するデバイスＵＥ_ｆは、通信をサポートするために、より幅の広いビームＷ_１〜Ｗ_３を必要とする。

ビーム幅を形作ることにより、あるビームＢから別のビームＢへのＵＥのハンドオーバの頻度も低下する。ハンドオーバが行われている間には２つの独立した通信リンクが維持されるため、ハンドオーバは、通常の通信より多くのシステムリソースの使用を必要とすることになる。また、音声通信は、しばしばハンドオーバに伴う待ち時間をあまり許容することができないため、ビームのハンドオーバは回避すべきである。

データサービスは、パケットサイズとボリュームに依存する。数個の小さいパケットは問題なく伝送することができるが、著しい回数のハンドオーバが必要な大きいパケットは、過剰な帯域幅を使用するおそれがある。これは、ハンドオーバの後でリンクを再確立しようと試みられたとき発生する。また、帯域幅は、信頼できる転送を実施しようと試みて同じデータの複数の伝送が送られたとき、使い尽くされることになる。

ダウンリンク共通チャネル通信は、しばしばその後にアップリンク伝送が続くことになる。ＰＳの伝送パターンを把握することにより、ＵＥは、そのアップリンク伝送を送る適切な時間を決定することができる。必要なタイミングで実施するため、既知の固定関係またはブロードキャスト時間関係が使用される。固定関係の場合には、ＵＥは、共通タイミングクロックを使用する。ＵＥは予め定められた時間まで待ち、その時間内に、ＰＳは、伝送の前にＵＥのセクタの上にビームを形成している。ブロードキャストの場合には、ＰＳは、ＵＥにそのアップリンク信号をいつ送るべきか通知する。アップリンク／ダウンリンクビーム形成は、重なり合っても、重なり合わなくてもよい。重なり合いを回避し、その結果、伝送に応答するデバイスが、同じタイムスロットについてアンテナビーム形成タイミングサイクル全体が発生するのを待つことを必要とされるはずの時間より短い時間で応答できることが、しばしば有利である。

ＣＤＭＡや他のＲＦプロトコルは、何らかの形態の時分割を使用することに留意されたい。これらの種類の時間に関連する技法（ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に応答するとき、ビームセクタ化とプロトコルのタイムスロットが共に問題となる。スロット化アロハ（ｓｌｏｔｔｅｄ Ａｌｏｈａ）など、他の時間に依存しないＲＦプロトコルは、セクタ化が必要なだけである。

前述の実施形態は、ＰＳの周りで連続的にビームＢを「掃引」することを目的とした。多くの場合において、これは一般に、本発明を実施するための最も好都合な方法となる。しかし、様々な位置を想定するための代替の方法がある。たとえば、いくつかの領域内で、より多くカバーが可能な状況があることが望ましい場合がある。これは、計時された位置の順序でビームを生成することによって行うことができる。たとえば、（１から７と採番された）７つの位置がある場合、（１、２、３、４、２、５、６、２、７、１）の順序を使用することができる。これにより、その領域は、２番のビーム位置において他の位置より頻繁に、しかし同じドエル時間でカバーされることになる。また、ある領域内でドエル時間をより長くすることが望ましいこともあり得る。たとえば、（１、２、３、４、４、５、６、７、１）という順序では、４番のビーム位置が２期間の間、一定のままになる。任意の好適な順序を使用することができ、状況分析により正当となるように修正することができる。

同様に、ビーム位置を回転パターンに制限することは必要ではない。ビーム位置は、通信システムの動作を節約する任意の順序で生成することができる。たとえば、各象限が少なくとも１つのビームＢによってカバーされるように時間の経過につれてビームＢを分配したパターンは、ＰＳに近接した、複数のビーム位置によってカバーされる可能性の高いＵＥにとって有用となる可能性がある。

あらゆるＲＦ伝送と同様に、ＲＦ信号は、ファラデー型の障害物（たとえば、接地された金属屋根）がある場合も、物理点で停止するだけであることに留意されたい。通常、信号は消滅し、その境界は、伝送のピーク値からの何らかの規定された減衰値となる。本発明の適用において適切な通信範囲を実現するために、隣接するビーム位置同士がある程度重なり合うことが好ましい。重なり合いは、送受信アンテナに近いほど、より顕著になる傾向があることになる。したがって、基盤アンテナ位置（ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｔｅｎｎａ ｓｉｔｅ）に近いと、どのＵＥも、いくつかの様々に位置決めされたビームＢを介して通信することができる可能性が高くなる。したがって、いくつかのビーム位置を介して通信することが可能なデバイスは、必要とされるなら、これらの複数の位置を使用して、より高いデータ転送速度を達成することができるであろう。しかし、より遠く離れている装置は、１回のビーム放射の瞬間を介して通信できるにすぎなくなる可能性がより高くなり、より高いデータ転送速度を得ることは、より長いドエル時間など別の技法を必要とすることになろう。

４つの重なり合う幅広ビームを有する、一次局といくつかのＵＥとの間の従来技術の共通チャネルカバレッジ方式の図である。 専用ビームを使用する、一次局といくつかのＵＥとの間のダウンリンク専用ビームの従来技術方式の図である。 一次局から発する回転共通チャネルビームの図である。 既知の不規則なＵＥ分布のためのビーム構成の図である。 トラフィックタイプに合わせてビーム幅が調整されたビーム構成の図である。

Claims (18)

1. 少なくとも１つの二次局との間で送受信するための、少なくとも１つのビームを使用してセクタセルをカバーする１つの一次局であって、
   各ビームが前記セルの一部分をカバーすることにより、複数の連続的なビームが方位角方向で前記セル全体をカバーし、および該各ビームのパラメータが個々に制御される１つの配列内の複数のビームを生成し形作るよう構成された形作る装置と、
   前記ビーム内の信号を送受信するよう構成されたアンテナと、
   前記ビームを掃引することによって、複数の方向の間で各方向に順に、前記形作られたビームの少なくとも１つを選択的に向けて送るビームを掃引するよう構成された掃引する装置と、
   識別子を送信し、前記複数の方向の少なくとも一部に従って前記形作られたビームを識別するよう構成された識別する装置と
   を備え、前記複数の方向は、１つのセルの複数のサイズを有する異なるセルセクタと一致し、前記形作る装置は前記セルセクタをカバーするように前記ビームを形作ることを特徴とする一次局。
2. 前記アンテナは、通信を受信することを特徴とする請求項１に記載の一次局。
3. 前記アンテナは、通信を送信することを特徴とする請求項１に記載の一次局。
4. 前記形作る装置は、広い幅から狭い幅にかけて可能な複数の幅の１つを選択して前記ビームを形作るよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の一次局。
5. 前記掃引する装置は、予め定められた順序で、前記複数の方向に選択的に向けて前記形作られたビームを送るようさらに構成されたことを特徴とする請求項１に記載の一次局。
6. 前記順序は、連続的であることを特徴とする請求項５に記載の一次局。
7. 前記順序は、非連続的であることを特徴とする請求項５に記載の一次局。
8. 前記掃引する装置は、前記非連続的な順序で、前記複数の方向の少なくとも１つに向けて、他の前記複数の方向より頻繁に選択的に向けて前記ビームを送ることを特徴とする請求項７に記載の一次局。
9. 前記掃引する装置は、前記非連続的な順序で、前記複数の方向のいくつかに選択的に向けて、前記複数の方向の他の方向より長い持続時間の間、前記ビームを送ることを特徴とする請求項７に記載の一次局。
10. 少なくとも１つの二次局との間の通信の送受信を容易にし、少なくとも１つのビームを使用してセクタセルをカバーする一次局であって、
    通信を送信するための、および通信を受信するためのビームを生成するよう構成されたアンテナであって、前記ビームが前記セルの一部分をカバーすることにより、複数の連続的なビームが方位角方向で前記セル全体をカバーするアンテナと、
    前記ビームを個々に形作るよう構成された形作る装置と、
    前記形作られたビームを掃引することによって、複数の方向の間で各方向に選択的に向けて順に、前記形作られたビームを送るよう構成された掃引する装置と、
    識別子を送信し、前記複数の方向の少なくとも一部に従って前記形作られたビームを識別するよう構成された識別する装置と
    を備え、前記複数の方向は、１つのセルの複数のサイズを有する異なるセルセクタと一致し、前記形作る装置は前記セルセクタをカバーするように前記ビームを形作ることを特徴とする一次局。
11. 前記アンテナは、通信を受信することを特徴とする請求項１０に記載の一次局。
12. 前記アンテナは、通信を送信することを特徴とする請求項１０に記載の一次局。
13. 前記形作る装置は、広い幅から狭い幅にかけて可能な複数の幅の１つを選択して前記ビームを形作るようさらに構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の一次局。
14. 前記掃引する装置は、予め定められた順序で、前記複数の方向に選択的に向けて前記形作られたビームを送るようさらに構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の一次局。
15. 前記順序は、連続的であることを特徴とする請求項１４に記載の一次局。
16. 前記順序は、非連続的であることを特徴とする請求項１４に記載の一次局。
17. 前記掃引する装置は、前記非連続的な順序で、前記複数の方向の少なくとも１つに選択的に向けて、他の前記複数の方向より頻繁に前記ビームを送ることを特徴とする請求項１６に記載の一次局。
18. 前記掃引する装置は、前記非連続的な順序で、前記複数の方向のいくつかに選択的に向けて、前記複数の方向の他の方向より長い持続時間の間、前記ビームを送ることを特徴とする請求項１６に記載の一次局。

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