JP4906928B2 - アナログビームフォーミング通信システム - Google Patents

Description

本発明は、アナログビームフォーミング通信システムに関する。

近年、移動体通信における電波資源不足は、深刻なものとなっている。一方で、ワイヤレスブロードバンド高速大容量化の要求は、日増しに大きくなっている。こういった状況から、利用周波数の高周波化と広帯域化が進んでいる。また、セルラー通信においては、隣接セルと同じ周波数を使用するＲｅｕｓｅ１が求められている。

利用周波数の高周波化・広帯域周波数の利用により、電波の伝搬距離減衰は、非常に大きいものとなり、セル半径は、小さくなってしまう。そこで、アレーアンテナを用いたビームフォーミングにより、高利得な放射パターンを形成することが考えられている。

また、１周波数の繰り返し利用を可能にするため、セル・セクタ間干渉を回避する方策が切に求められる。特に、ビームフォーミングを行うシステムにおいては、形成する放射パターンが高利得であるため、適切に放射パターンを制御しない場合には、通常のオムニパターン、セクタパターンのアンテナよりも、大きな干渉となる。そのため、形成する放射パターンを干渉回避の観点から制御する必要がある。

さらに、セル境界に位置する無線端末が複数の基地局からの信号を受信することでダイバーシチ効果を得る手法がある。この場合、セル境界に位置する無線端末は、受信電力が低いことがあり、これを解消する手段が必要とされている。また、セルの如何なる位置に無線端末が存在しても、回線の接続性だけでなく、その高速性も要求されている。

このような背景の中では、基地局からみた移動局の方位角等を基準に移動局をグルーピングし、干渉が検出された場合にＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）アンテナ制御を行う従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。

また、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅ−２００５仕様（例えば、非特許文献１参照）では、ＤＢＦを行う場合のフレーム構成が示されている。

特開２０００−９２５４５号公報 IEEE Std 802．16e-2005 and IEEE Std 802．16-2004／Cor1-2005、"Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems、"2006．

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
アレーアンテナによるビームフォーミングは、一般的に、デジタルビームフォーミングであり、アンテナ素子数分の周波数変換部、電力増幅部が必要であった。そのため、高利得の指向性パターンを有するビームを形成するためには、多数の周波数変換部、電力増幅部が必要となり、製作コストが増大する問題があった。

また、ＯＦＤＭ・ＯＦＤＭＡシステムにおいて、セル・セクタ間干渉を回避するためには、周波数方向において直交を取るか、もしくは、時間方向において直交を取る必要がある。しかしながら、このような干渉回避方法では、多くの無線リソース、つまり多くのサブキャリアが必要となり、システム全体のスループットが劣化してしまう問題点があった。

さらに、セクタ・セル境界に位置する無線端末では、長い伝搬距離のために受信信号電力が低くなってしまうといった問題、あるいは周辺セクタ・セルからの強い干渉電力のために、高いロバスト性や高いユーザスループットを持つ無線通信を達成することが困難であるといった問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、基地局がそれぞれの移動端末に対する適切なアナログビームパターンを選択できるアナログビームフォーミング通信システムを得ることを目的とする。

本発明に係るアナログビームフォーミング通信システムは、１以上の基地局と１以上の移動端末との間の通信にアナログビームフォーミングを適用し、移動端末の位置または前記移動端末の受信信号品質に応じた適切なビームを選択して通信を行うアナログビームフォーミング通信システムであって、１以上の基地局のそれぞれは、自身が送信可能なビームパターンを識別するためのパターンを示す情報を含むダウンロードフレームを指向性パターンを有するビームで送信し、１以上の移動端末のそれぞれは、指向性パターンを有するビームで送信されたダウンロードフレームを受信できた場合には、パターンを示す情報に対応するビームパターンを用いて通信を実行した際の通信品質情報およびパターンを示す情報の少なくともいずれか一方を含むアップロードフレームを送信し、１以上の基地局のそれぞれは、１以上の移動端末から受信したそれぞれのアップロードフレームに含まれるそれぞれの通信品質情報またはパターンを示す情報に基づいて１以上の移動端末のグループ化を行い、グループ化された移動端末ごとに自身が送信可能なビームパターンの中から適切なビームを選択して通信を行うものである。

本発明によれば、基地局と移動端末との間でやりとりするアップロードフレームおよびダウンロードフレームのデータ構成を特定し、ダウンロードフレームを受信した移動端末側の通信品質情報に基づいて、移動端末のグループ化とビーム選択を行うことにより、基地局がそれぞれの移動端末に対する適切なアナログビームパターンを選択できるアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における無線基地局装置の構成図である。 本発明の実施の形態１において、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅを基本としてＡＢＦを導入する場合のＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡにおけるフレーム構成を示した図である。 本発明の実施の形態１において、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅを基本としてＡＢＦを導入する場合のＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡにおけるフレーム構成を示した別の図である。 本発明の実施の形態１のグルーピング部による端末とビームの対応付けの例示図である。 本発明の実施の形態１のグルーピング部による端末とビームの対応付けを行うフレーム構成を示した図である。 本発明の実施の形態１のグルーピング部による端末とビームの対応付けを行う別のフレーム構成を示した図である。 本発明の実施の形態１における複数の無線基地局装置が協調する場合の構成図である。 本発明の実施の形態１における複数の無線基地局装置が協調する場合の別の構成図である。 本発明の実施の形態１の基地局間協調制御による干渉回避手法を示した図である。 本発明の実施の形態１において基地局間協調ビーム制御を行う場合のフレーム構成を示した図である。 本発明の実施の形態１において、基地局間の協調動作を、干渉回避ではなく、ダイバーシチもしくはマルチストリーム伝送として用いる場合の例示図である。 本発明の実施の形態２におけるフレーム構成を示した図である。 本発明の実施の形態２において通信品質情報を常時取得する場合における問題の対処方法の説明図である。 本発明の実施の形態３における基地局１３０が、２つのＭＳに対して同一周波数かつ異なるビームを用いて、異なるユーザデータを送信する例示図である。 本発明の実施の形態３における無線基地局装置の構成図である。 本発明の実施の形態４の基地局間協調ビーム制御による干渉回避手法を示した図である。 本発明の実施の形態５において、基地局間の協調動作を、干渉回避ではなく、ダイバーシチもしくはマルチストリーム伝送として用いる場合の例示図である。

以下、本発明にかかるＡＢＦ（Ａｎａｌｏｇ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）による時間分割制御と、それに伴う複数基地局を協調させた通信方式を適用したアナログビームフォーミング通信システムの好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
まず始めに、本実施の形態１におけるＡＢＦを用いた時間分割制御を行う無線基地局装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における無線基地局装置の構成図である。図１に示した無線基地局装置１５０は、スケジューリング部１、グルーピング部２、２台の変復調部３、４、２台の周波数変換部５、６、２台の信号電力増幅部７、８、アナログビーム制御部９、アナログビーム生成部１０、および基地局アンテナ１１〜１５で構成されている。なお、図１においては、周波数変換部と信号電力増幅部の一連の系の数が２つの構成を示しているが、このような構成は、あくまでも一例であり、系の数は、基地局アンテナの数以下であればよい。

なお、図１においては、２つの異なるデータが送信もしくは受信される場合の装置構成を例示しているが、本発明は、送信データ数によらず、同様の構成にて所望の目的を達成可能である。送信において、変復調部３と変復調部４は、それぞれ、スケジューリング部１から受け取ったユーザデータ制御信号１８、１９に基づいて、ユーザデータを変調する。

これらの変調信号は、それぞれ、周波数変換部５、６により、送信される空中線の周波数へ変換される。さらに、これらの周波数変換された信号は、それぞれ、信号電力増幅部７、８にて電力増幅される。さらに、これらの電力増幅された信号は、アナログビーム制御部９へ入力される。

そして、アナログビーム制御部９は、スケジューリング部１からのビーム制御信号１６に基づいて、使用するビームを決定する。ＡＢＦによる指向性パターンは、あらかじめ複数個用意されており、ビーム制御信号１６は、これらのあらかじめ用意された指向性パターンを選択する信号である。

アナログビーム生成部１０は、アナログビーム制御部９により選択されたビームを形成するアナログパッシブ回路から構成される。アナログビーム生成部１０により位相調整された信号は、基地局アンテナ１１〜１５から放射される。

図２は、本発明の実施の形態１において、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅを基本としてＡＢＦを導入する場合のＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡにおけるフレーム構成を示した図である。ＤＬ ＰＵＳＣフレーム構成を一例として、本実施の形態１に適用した場合について説明する。

１つの無線フレームは、ダウンリンク用データから構成されるＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２０と、アップリンク用データから構成されるＵＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２１から構成される。Ｐｒｅａｍｂｌｅ２２、ＦＣＨ２３、ＤＬ−ＭＡＰ２４、ＵＬ−ＭＡＰ２５は、オムニアンテナやセクタアンテナにて送信され、その基地局のサービスエリアに在圏する端末のすべてが解読可能である。
同様に、次の無線フレームは、ＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ３４と、ＵＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ３５で構成され、Ｐｒｅａｍｂｌｅ３６、ＦＣＨ３７、ＤＬ−ＭＡＰ３８、ＵＬ−ＭＡＰ３９は、オムニアンテナやセクタアンテナにて送信され、その基地局のサービスエリアに在圏する端末のすべてが解読可能である。

Ａｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップ２７、４１は、指向性パターンを切替えるための時間を確保するために必要となる時間ギャップである。ＡＢＦによるビームフォーミングでは、分配器と固定位相器からなるビーム生成回路を用いてアナログスイッチによりビームを切替える方法か、もしくは分配器と可変位相器からなるビーム生成回路を用いて可変位相器の位相を変化させることでビームを変更する方法のいずれかを適用することが考えられる。

このように、ＡＢＦにおいては、アナログ部品の状態を変化させる必要がある。一般に、アナログ部品の状態変化は、１シンボル時間と比較して無視できるほど短時間で収束しないため、ビーム変更のための時間として、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップ２７、４１が必要となる。

しかし、使用する機器により、ビーム変更に必要とされる時間は変化し、また、ビーム変更時間がシステムに与える影響は、そのシステムのシンボル時間やシステム周期によって異なる。このため、必ずしもＡｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップ２７、４１は、必要でない。

Ａｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップ２７、４１以後は、スケジューリング部１によって指示されたビームにより信号が送信される。よって、ＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２０におけるＡｎａｌｏｇ ＢＦ Ｐｒｅａｍｂｌｅ２８、Ｓｕｂ＿ＤＬ＿ＵＬ＿ＭＡＰ２９、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃１ ３０、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃２ ３１、およびＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃３ ３２は、ある指向性を持ったビームパターンで送信されるため、オムニアンテナやセクタアンテナで送信される場合と比較して、端末が位置する場所に依存して、受信信号特性（電力、周波数選択性、信号間の相関、ドップラーフェージング特性等）が著しく異なる。

一般に、選択されるビームは、鋭い指向性をもつため、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｐｒｅａｍｂｌｅ２８、Ｓｕｂ＿ＤＬ＿ＵＬ＿ＭＡＰ２９、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃１ ３０、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃２ ３１、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃３ ３２をオムニアンテナやセクタアンテナで使用した場合と比較すると、高い受信電力を得ることが可能な端末が存在する。

上記の特性は、ＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ３４におけるＡｎａｌｏｇ ＢＦ Ｐｒｅａｍｂｅ４２、Ｓｕｂ＿ＤＬ＿ＵＬ＿ＭＡＰ４３、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃１ ４４、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃２ ４５、ＤＬ＿Ｂｕｒｓｔ＃３ ４６においても同様である。

この図２は、サブフレーム毎にビームを選択する方式である。一方、１つのフレーム内で複数回のビーム選択をする方式もある。図３は、本発明の実施の形態１において、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅを基本としてＡＢＦを導入する場合のＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡにおけるフレーム構成を示した別の図である。１つのフレーム内で複数回のビーム選択をする方式であり、より具体的には、１つのフレーム内で複数のＡｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ ６７、６８を持つことを特徴とする。

グルーピング部２は、端末から報知された情報をもとに、各端末を１つもしくは複数のビームに対して割り当て、端末とビームの対応付けを行う。以下では、このグルーピング部２で使用する端末から報知される情報の取得方法と、端末とビームの対応付け方法について説明する。

図４は、本発明の実施の形態１のグルーピング部２による端末とビームの対応付けの例示図である。基地局１３０は、セクタ１３１〜１３３からなる３セクタ構成である。セクタ１３１についてのみ説明するが、他のセクタについても同様である。セクタ１３１において、２つの指向性のビームを用いて、セクタ領域をＢｅａｍ＃１の領域１３４とＢｅａｍ＃２の領域１３５とに２分割できる場合を考える。このとき、各指向性ビームは、ある一定の角度幅をもち、その角度以外のアンテナ利得が極めて低く、ビームと端末の対応付けを受信電力の強弱によって行う場合を考える。

つまり、基地局１３０を中心として、セクタ内を方位角方向に二分する場合と同等である。Ｂｅａｍ＃１は、移動端末（Ｍｏｂｉｌｅ Ｓｔａｔｉｏｎ）であるＭＳ１３６とＭＳ１３７とＭＳ１３８の位置する方向へ利得が高いビームであり、Ｂｅａｍ＃２は、ＭＳ１３９とＭＳ１４０の位置する方向への利得が高いビームである。よって、ＭＳ１３６とＭＳ１３７とＭＳ１３８は、Ｂｅａｍ＃１と対応付けられ、ＭＳ１３９とＭＳ１４０は、Ｂｅａｍ＃２と対応付けられる。

次に、図５は、本発明の実施の形態１のグルーピング部２による端末とビームの対応付けを行うフレーム構成を示した図であり、レンジングチャネルを用いたビームと端末の対応付け方法を示している。具体的なフレーム構成を用いて説明する。Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｐｒｅａｍｂｌｅ７９、８５は、ビームの固有のプリアンブルパターンを持ち、そのパターンに応じて基地局が生成可能なビームパターン番号が割り当てられている。よって、このプリアンブルを解読可能な端末は、解読可能な、つまり通信可能なビームパターン番号を知ることが可能である。

また、端末は、このプリアンブルを使用して、各ビームパターンの受信信号特性を知ることが可能である。例えば、端末は、各ビームパターンの受信信号特性とビームパターン番号を対応づけ、各ビームパターン番号と受信電力のテーブルを、Ｒａｎｇｉｎｇ９１、９２を使用して基地局に報知する。この情報をもとに、基地局のグルーピング部２は、端末とビーム番号の対応付けを行う。

上記の例は、端末の受信電力を通信情報品質の基準として、端末がビーム番号との対応付けを行い、その結果を基地局側に送信する例であるが、他の方法も考えられる。一般に、通信システムにおける端末の通信品質の評価方法は、伝送システムによって異なる。そのため、各端末がどのビームに属するかは、受信電力だけでなく、周波数選択性、端末が複数アンテナを有する場合にはそれらアンテナの受信信号の相関をもとに、総合的な評価によって属するビームを決定することとなる。

また、上記の例は、端末から受信した通信品質情報に基づいて、基地局が端末とビーム番号との対応付けを行う例であるが、端末が判断し、自分が属するビーム番号だけを基地局に報知する方法も考えられる。さらに、各端末は、アップリンクにおいてレンジング情報を送信する際、直交コードを用いる。よって、この直交コード番号と自分が属するビーム番号を対応付けることにより、基地局は、レンジング領域をデコードする際に、その端末が属するビーム番号を知ることが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態１のグルーピング部２による端末とビームの対応付けを行う別のフレーム構成を示した図であり、Ｂｅａｍ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｓｓａｇｅ１２０、１２１を使用する場合の例である。なお、Ｂｅａｍ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｓｓａｇｅ１２０、１２１により送信される情報は、Ｒａｎｇｉｎｇ９１、９２により送信される情報と同じであり、使用するチャネルが違うだけである。Ｂｅａｍ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｓｓａｇｅは、使用可能なビームパターンを複数示すことができるビットマップのような形式であってもよい。

上述したＡＢＦに関する制御方法やフレーム構成は、１つの基地局が独立に動作する場合であるが、複数の基地局が協調する場合も考えられる。図７は、本発明の実施の形態１における複数の無線基地局装置が協調する場合の構成図である。図７においては、２つの異なる無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂが協調動作する場合の構成を例示している。

しかしながら、協調動作する基地局数は、２つに限定されるものではなく、任意基地局数での協調が可能である。なお、各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂの内部構成は、先の図１の無線基地局装置１５０と同じであり、それぞれの構成要素には、添字ａ、ｂを付している。

各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂ内部のそれぞれのスケジューリング部１ａ、１ｂおよびグルーピング部２ａ、２ｂは、相手側のスケジューリング情報およびユーザグルーピング情報に基づいて、協調動作制御信号を生成し、相手側に送信する。これにより、それぞれのスケジューリング部１ａ、１ｂおよびグルーピング部２ａ、２ｂは、他の基地局装置と協調可能であり、協調したＡＢＦスケジューリングが可能となる。

図８は、本発明の実施の形態１における複数の無線基地局装置が協調する場合の別の構成図である。先の図７では、各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂが互いに協調して、分散的に協調動作のためのスケジューリングを行う手法であった。これに対して、図８では、無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂの協調を取るために、基地局間協調制御装置１６２内の基地局間協調制御用スケジューリング部１６３を用いている。

基地局間協調制御用スケジューリング部１６３に対して、各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂ内のスケジューリング部１ａ、１ｂがスケジューリング情報１６４、１６６を送信する。また、各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂ内のグルーピング部２ａ、２ｂがユーザグルーピング情報１６５、１６７を送信する。

基地局間協調制御用スケジューリング部１６３は、送付された各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂのスケジューリング情報１６４、１６６およびユーザグルーピング情報１６５、１６７に基づき、基地局間協調制御用のグループ化およびスケジュールを生成し、各無線基地局装置１５０ａ、１５０ｂに対して、生成した情報を協調動作制御信号として送付する。これにより、複数の基地局間で協調した動作が可能となる。

図９は、本発明の実施の形態１の基地局間協調制御による干渉回避手法を示した図である。基地局１８６は、セル１７０をサービスエリアとし、基地局１８７は、セル１７１をサービスエリアとする。このとき、セル１７０とセル１７１のセル境界に、ＭＳ１８１とＭＳ１８２が存在する。そのため、基地局１８６と基地局１８７が従来のようにオムニアンテナやセクタアンテナによって信号を送信する場合には、これらＭＳ１８１、１８２にとって、自分が属していないセルからの信号は、強い干渉波となり、受信信号品質が劣化する。

そこで、各基地局（１８６、１８７）で使用するビームを他基地局（１８７、１８６）と協調的にスケジューリング制御することで、干渉を回避することができる。同時刻に、基地局１８６がＭＳ１８３へＢｅａｍ１７９を用いて送信し、基地局１８７がＭＳ１８１へＢｅａｍ１８０を用いて送信する場合には、Ｂｅａｍ１７９とＢｅａｍ１８０は、放射方向が大きく重なってしまう。

このため、Ｂｅａｍ１７９は、ＭＳ１８１に対して干渉となる。Ｂｅａｍ１７９は、指向性の高いビームであるので、オムニアンテナやセクタアンテナを使用する場合よりも強い干渉となる。よって、ビーム形成をする場合、周囲の基地局との協調的なビーム制御が、必須といえる。

そこで、基地局１８７がＢｅａｍ１８０を使用するときには、基地局１８６は、Ｂｅａｍ１８０と直交性の高いビームであるＢｅａｍ１７８を使用する。Ｂｅａｍ１８０とＢｅａｍ１７８は、直交性が高いため、互いに干渉となる電力が極めて小さく、ビームによる利得増加と基地局間協調ビーム制御による干渉回避の両方を同時に実現することができる。

オムニアンテナやセクタアンテナを使用する場合の従来の方法において、セル境界に位置する端末は、常に強い干渉を受けてしまう問題があった。しかしながら、上述した本実施の形態１の基地局間協調ビーム制御を行うことにより、この干渉問題を解決できる。なお、本実施の形態１では、セル間の協調ビーム制御について説明したが、セクタ間においても同様の方法により、干渉回避が可能となる。

図１０は、本発明の実施の形態１において基地局間協調ビーム制御を行う場合のフレーム構成を示した図である。基地局１８６のＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ１８９と基地局１８７のＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２０３が協調動作する場合である。

Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ１９０（Ｂｅａｍ１７８）の時間タイミングと、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２０４（Ｂｅａｍ１８０）の時間タイミングとが同期しており、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ１９１（Ｂｅａｍ１７９）の時間タイミングと、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２０５（Ｂｅａｍ１８５）の時間タイミングとが同期している。このように、同じ時間タイミングで周囲の基地局間で直交性の高いビームを選択することで、干渉回避が可能である。

図１１は、本発明の実施の形態１において、基地局間の協調動作を、干渉回避ではなく、ダイバーシチもしくはマルチストリーム伝送として用いる場合の例示図である。基地局２２４と基地局２２５は、互いに協調したＡＢＦスケジューリングを行う。セル端にＭＳ２２６が位置し、この端末において、基地局２２４が形成するビームであるＢｅａｍ２２７と、基地局２２５が形成するビームであるＢｅａｍ２２８とは、各基地局が有するビーム内で最も強い受信電力を得る。

このとき、ＭＳ２２６に対し、Ｂｅａｍ２２７とＢｅａｍ２２８を用いて協調伝送を行う。ＭＳ２２６に対し、同じ信号をＢｅａｍ２２７とＢｅａｍ２２８で送信する場合には、異なる伝搬環境を信号が伝搬するため、高いダイバーシチ利得を得ることが可能である。

また、ＭＳ２２６に対する信号系列をシリアル−パラレル変換し、異なる信号系列をＢｅａｍ２２７とＢｅａｍ２２８で送信する場合には、マルチストリーム伝送が可能である。これにより、異なる伝搬環境を信号が伝搬するため、ストリーム間の相関が低く、信号分離性能も改善される。

一般に、ビームフォーミングにより信号を送信する場合には、受信側における電波の到来角度幅が狭くなるため、受信信号間の相関が上昇してしまう。これに対して、基地局間協調動作におけるビームフォーミングでは、環境の異なる場所から信号が送信されるので、伝搬環境の類似点が少なく、受信信号間の相関も低い。なお、上述の説明では、協調するビーム選択の基準として、受信電力の大きさを挙げているが、この限りではない。

一般的に、伝送方式やシステムによって最適なビーム選択基準は多様であり、特に、マルチストリーム伝送を行う際には、受信アンテナ間の信号相関も重要なビーム選択基準となる。一般に、基地局間の協調制御を用いない場合には、セル境界に位置する端末は、周辺基地局からの強い干渉波を受ける。しかし、その周辺基地局も、そのセル境界に位置する端末に対して通信を行う場合には、これまでの干渉信号が所望信号となる。

さらに、ＡＢＦのような指向性の高い放射パターンを持つ場合には、他セルのサービスエリア内まで干渉波として到達するため、上記のような周辺基地局と協調し、干渉を取り除くことには、大きな意味がある。

以上のように、実施の形態１によれば、基地局と移動端末との間でやりとりするアップロードフレームのデータ構成の中にビームパターンの識別情報を含め、ダウンロードフレームのデータ構成の中に通信品質情報を含めている。この結果、ダウンロードフレームを受信した移動端末側の通信品質情報に基づいて、移動端末のグループ化とビーム選択を行うことができ、基地局がそれぞれの移動端末に対する適切なアナログビームパターンを選択できるアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

さらに、このような１つの基地局におけるグループ化およびビーム選択の結果を複数の基地局間で共有することにより、基地局間で協調を取ったグループ化およびビーム選択が可能となる。この結果、セクタ・セル間の干渉を回避する、あるいはセクタ・セル境界に位置する無線端末のロバスト性およびユーザスループットを改善するアナログビームフォーミング通信システムを実現できる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、先の実施の形態１の変形例であり、図１、図４、図１２、図１３を用いて、以下に説明する。なお、ＡＢＦを用いた時間分割制御を行う無線基地局装置の構成については、先の実施の形態１で用いた図１と同様である。また、図１のグルーピング部２による移動端末とビームの対応付けの例は、先の実施の形態１で用いた図４と同様である。

図１２は、本発明の実施の形態２におけるフレーム構成を示した図であり、先の実施の形態１と同様に、ＩＥＥＥ８０２．１６ｅを基本としてＡＢＦを導入する場合におけるフレーム構成を示している。

パーミュテーションの方式は、ＰＵＳＣ（Ｐａｒｔｉａｌ Ｕｓａｇｅ ｏｆ ＳｕｂＣｈａｎｎｅｌｓ）、Ｂａｎｄ ＡＭＣ（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｄｉｎｇ）等あらゆる方式に適用可能である。

１つの無線フレームは、ダウンリンク用データから構成されるＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５０と、アップリンク用データから構成されるＵＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５１から構成される。Ｐｒｅａｍｂｌｅ２５４、ＦＣＨ２５５、ＤＬ−ＭＡＰ２５６、ＵＬ−ＭＡＰ２５７は、オムニアンテナやセクタアンテナにて送信され、その基地局のサービスエリアに在圏する端末のすべてが解読可能である。

本実施の形態２におけるＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５０では、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップを用意していない。これは、先の実施の形態１に記載するように、ビーム変更時間が、そのシステムのシンボル時間と比較して十分短い時間であり、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ切替ギャップを必要としない場合の例を記載している。

ＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５０は、ある指向性を持ったビームパターンであるＢｅａｍ＃１を送信するＡｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２５２、およびＢｅａｍ＃１とは異なるビームパターンのＢｅａｍ＃２を送信するＡｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２５３を含んでいる。図１２におけるＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５０は、２つのゾーンを含む場合を例示しているが、２つのゾーンに限定する必要はなく、幾つでも構わない。また、ＡＢＦのビーム数も２に限定する必要はなく、ＡＢＦの仕様に応じて幾つでも構わない。さらに、異なる無線フレームでは、異なるビームパターンで送信しても構わない。

Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２５２、２５３は、ＤＬ−ＭＡＰ２５６により、その割当が特定される。また、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２５２、２５３内には、ユーザデータの他、ユーザデータと同様にビーム形成がなされたパイロット信号（Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｐｉｌｏｔ）を含んでいる。そして、ＭＳ１３６ないしＭＳ１４０では、ＤＬ−ＭＡＰ２５６を解析することで、Ａｎａｌｏｇ ＢＦ Ｚｏｎｅ２５２、２５３の割当を特定し、各ビームＢｅａｍ＃１、Ｂｅａｍ＃２に対するダウンリンクの通信品質情報（ＣＩＮＲ等）を取得することができる。

基地局１３０（図１では１５０）は、ＵＬ−ＭＡＰ２５７を用いることで、ＭＳ１３６ないしＭＳ１４０に対して、各ビームに対する通信品質情報をＵＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅ２５１内のＣＱＩＣＨ２６４にて報告するよう指示することができる。基地局１３０は、全ビーム、または、ある一定時間内にＤＬ＿Ｓｕｂ＿Ｆｒａｍｅで送信した全ビームの通信品質情報を各ＭＳ１３６ないしＭＳ１４０から取得する。その上で、基地局１３０内のグルーピング部２は、各ＭＳに対して通信品質が良好な１つもしくは複数のビームとの対応付けを行う。先の実施の形態１において図４を用いてグルーピング部２によるＭＳとビームの対応付け例を説明したが、本実施の形態２もこれと同様である。

ここで、各ビーム、各ＭＳに対する通信品質情報を常時取得するとした場合、アップリンクの無線リソースを大幅に消費してしまうほか、ＭＳの消費電力も大きくなる。この問題の対処方法を、次に説明する。図１３は、本発明の実施の形態２において通信品質情報を常時取得する場合における問題の対処方法の説明図である。この図１３において、基地局２８３が送信可能なビーム数は、セクタあたり８としている。

ＭＳ２８２が基地局２８３のセル２７０圏内に入ってきた際の、基地局２８３におけるＭＳ２８２とビームの対応付けについては、上述のように、ＭＳに各ビームの通信品質情報を報告させることにより決定する。図１３では、ＭＳ２８２は、Ｂｅａｍ＃４の領域２７７に対応付けられたとする。その後、基地局２８３は、ＭＳ２８２に対して全ビームの通信品質情報を取得する必要はなく、Ｂｅａｍ＃４に対する通信品質情報のみ取得してゆけばよい。

ただし、基地局２８３がＭＳ２８２から通知される通信品質情報を観測し、Ｂｅａｍ＃４に対する通信品質が劣化してきたと判断した際には、ＭＳ２８２は、Ｂｅａｍ＃４の領域２７７の隣であるＢｅａｍ＃３の領域２７６、またはＢｅａｍ＃５の領域２７６に移動する可能性があると判断し、Ｂｅａｍ＃３、かつ、Ｂｅａｍ＃５に対する通信品質についても、定期的に報告させるように動作する。それら情報を基に、基地局２８３は、ＭＳと各ビームの対応付けを切り替える。

なお、隣接するビームを観測するだけでは、ビームの対応付けに失敗する可能性があることを考慮し、長周期でＭＳ２８２がセル２７０圏内に入ってきた際と同様の処理を行ってもよい。
複数基地局協調に関する処理については、先の実施の形態１と同様である。

以上のように、実施の形態２によれば、基地局と移動端末との間でやりとりするアップロードフレームのデータ構成の中に通信品質情報を含めている。この結果、ダウンロードフレームを受信した移動端末側の通信品質情報に基づいて、移動端末のグループ化とビーム選択を行うことができ、基地局がそれぞれの移動端末に対する適切なアナログビームパターンを選択できるアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態１または２において、基地局が、同一周波数かつ２つ以上の異なるビームを用いて、異なるユーザデータを送信する場合について説明する。

図１４は、本発明の実施の形態３における基地局１３０が、２つのＭＳに対して同一周波数かつ異なるビームを用いて、異なるユーザデータを送信する例示図である。また、図１５は、本発明の実施の形態３における無線基地局装置の構成図である。

図１４の例では、簡単のため、基地局１３０が同一周波数を用いて、Ｂｅａｍ２９５ではＭＳ２９７向けのデータ、Ｂｅａｍ２９６ではＭＳ２９８向けデータを同時に送信している例を示しているが、２以上のビームの場合でも、同様である。なお、基地局１３０は、複数アンテナを用いて、Ｂｅａｍ２９５、Ｂｅａｍ２９６にて、それぞれマルチストリーム伝送、または、ダイバーシチ伝送していてもよい。

この際、Ｂｅａｍ２９５とＢｅａｍ２９６との間の干渉量は、ビームパターン、及びＭＳ２９７、ＭＳ２９８の位置関係によって、非常に大きくなる可能性がある。

この問題を解消する方法として、ＭＳ２９７向けのデータとＭＳ２９８向けのデータとの間で、お互いの干渉をキャンセルするための符号化を、図１５の変復調部３ａ、４ａ、３ｂ、４ｂにて行う。その他の機能部の説明は、先の実施の形態１と同様であるため割愛する。具体的には、基地局１３０が周波数変換部５ａ、６ａ、５ｂ、６ｂと信号電力増幅部７ａ、８ａ、７ｂ、８ｂの一連の系の数を４つ備えているとし、下式（１）（２）の行列式が用いられる（例えば、非特許文献２：IEEE C802.16m-08/698r1参照）。

ＭＳ２９７向けデータを処理する変復調部＃１ ３ａ、変復調部＃２ ４ａでは、Ｓ^[1]が使用され、Ｂｅａｍ２９５にて送信される。また、ＭＳ２９８向けデータを処理する変復調部＃３ ３ｂ、変復調部＃４ ４ｂでは、Ｓ^[2]が使用され、Ｂｅａｍ２９６にて送信される。

なお、行列の行は、ＭＳ２９７、ＭＳ２９８に対して各２つの周波数変換部５ａ、６ａ、５ｂ、６ｂと信号電力増幅部７ａ、８ａ、７ｂ、８ｂの一連の系により送信される信号の系を示している。また、行列の列は、時間方向を示している。ＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡの場合であれば、異なるＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡシンボルを示しており、連続したＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡシンボルでもよいし、Ｈｙｂｒｉｄ ＡＲＱ等の処理によって、時間的に大きく異なるＯＦＤＭ／ＯＦＤＭＡシンボルであってもよい。

ＭＳ２９７では、例えば、下式（３）（４）によりＭＳ２９７向けのデータを取得する。

同様に、ＭＳ２９８では、例えば、下式（５）（６）によりＭＳ２９８向けのデータを取得する。

ここで、ｒ_iは、ｉ番目の受信シンボル、ｈ_iはｉ番目の送信ビームの伝送路情報、ｎ_i’はノイズを示す。
その他の処理については、先の実施の形態１と同様である。

なお、本実施の形態３は、上記符号に限る必要はなく、ビーム間干渉を低減するいかなる符号を用いてもよい。また、本実施の形態３では、ダウンリンク送信についてのみ記載したが、アップリンク送信についても同様に考えることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、お互いの干渉をキャンセルするための符号化を行うことで、送信機にて送信するビーム間での干渉を、受信機の受信処理により大幅に低減させることができるアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、先の実施の形態３の内容を、基地局間協調制御による干渉回避に適用した場合について説明する。図１６は、本発明の実施の形態４の基地局間協調ビーム制御による干渉回避手法を示した図である。また、対応する構成としては、先の実施の形態１で使用した図７または図８を用いて説明する。

セル３００を構成する基地局１３０ａ（図７または図８での１５０ａ）、または、セル３０２を構成する基地局１３０ｂ（図７または図８での１５０ｂ）は、各々セクタ３０２、セクタ３０３に対して、図７または図８に記載する通り、周波数変換部と信号電力増幅部の一連の系の数を２つ備えているとする。基地局１３０ａは、Ｂｅａｍ３０６とＢｅａｍ３０７を送信することで、ＭＳ３１０との通信を行い、基地局１３０ｂは、Ｂｅａｍ３０８とＢｅａｍ３０９を送信することで、ＭＳ３１１との通信を行う。

この際、先の実施の形態３に記載するＳ^[1]は、ＭＳ３１０向けデータとして基地局１３０ａの変復調部＃１ ３ａ、変復調部＃２ ４ａで使用され、Ｂｅａｍ３０６、Ｂｅａｍ３０７として送出される。一方、先の実施の形態３に記載するＳ^[2]は、ＭＳ３１１向けデータとして基地局１３０ｂの変復調部＃１ ３ｂ、変復調部＃２ ４ｂで使用され、Ｂｅａｍ３０８、Ｂｅａｍ３０９として送出される。

なお、基地局間の協調動作により干渉回避を行う際の協調制御方法については、先の実施の形態１で説明したものと同様であり、その他の処理については、先の実施の形態３で説明したものと同様である。

以上のように、実施の形態４によれば、複数基地局協調干渉回避動作時に基地局で送信するビーム間の干渉を、移動端末の受信処理により、さらに低減するアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、先の実施の形態３を、基地局間の協調動作によりダイバーシチ伝送もしくはマルチストリーム伝送を行う場合に適用した場合について説明する。図１７は、本発明の実施の形態５において、基地局間の協調動作を、干渉回避ではなく、ダイバーシチもしくはマルチストリーム伝送として用いる場合の例示図である。また、対応する構成としては、先の実施の形態１で使用した図７または図８を用いて説明する。

セル３２０を構成する基地局１３０ａ（図７または図８での１５０ａ）、または、セル３２２を構成する基地局１３０ｂ（図７または図８での１５０ｂ）は、各々セクタ３２１、セクタ３２３に対して、図７または図８に記載する通り、周波数変換部と信号電力増幅部の一連の系の数を２つ備えているとする。基地局１３０ａは、Ｂｅａｍ３２６とＢｅａｍ３２７を送信し、基地局１３０ｂは、Ｂｅａｍ３２８とＢｅａｍ３２９を送信することで、セル端に位置するＭＳ３３０とＭＳ３３１に対して協調伝送を行う。

この際、先の実施の形態３に記載するＳ^[1]は、ＭＳ３３０向けデータ用に使用され、Ｓ^[1]の１行目は、基地局１３０ａの変復調部＃１ ３ａで使用され、Ｂｅａｍ３２６として送出され、Ｓ^[1]の２行目は、基地局１３０ｂの変復調部＃１ ３ｂで使用され、Ｂｅａｍ３２８として送出される。

一方、先の実施の形態３に記載するＳ^[2]は、ＭＳ３３１向けデータ用に使用され、Ｓ^[2]の１行目は、基地局１３０ａの変復調部＃２ ４ａで使用され、Ｂｅａｍ３２７として送出され、Ｓ^[2]の２行目は基地局１３０ｂの変復調部＃２ ４ｂで使用され、Ｂｅａｍ３２９として送出される。

なお、基地局間の協調動作によりダイバーシチ伝送もしくはマルチストリーム伝送を行う際の協調制御方法については、先の実施の形態１で説明したものと同様であり、その他の処理については、先の実施の形態３で説明したものと同様である。

以上のように、実施の形態５によれば、複数基地局協調伝送時に基地局で送信するビーム間での干渉を、移動端末の受信処理により大幅に低減するアナログビームフォーミング通信システムを得ることができる。

Claims (7)

1. １以上の基地局と１以上の移動端末との間の通信にアナログビームフォーミングを適用し、前記移動端末の位置または前記移動端末の受信信号品質に応じた適切なビームを選択して通信を行うアナログビームフォーミング通信システムであって、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、自身が送信可能なビームパターンを識別するためのパターンを示す情報を含むダウンロードフレームを指向性パターンを有するビームで送信し、
   前記１以上の移動端末のそれぞれは、前記指向性パターンを有するビームで送信された前記ダウンロードフレームを受信できた場合には、前記パターンを示す情報に対応するビームパターンを用いて通信を実行した際の通信品質情報および前記パターンを示す情報の少なくともいずれか一方を含むアップロードフレームを送信し、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、前記１以上の移動端末から受信したそれぞれのアップロードフレームに含まれるそれぞれの通信品質情報または前記パターンを示す情報に基づいて前記１以上の移動端末のグループ化を行い、グループ化された移動端末ごとに自身が送信可能なビームパターンの中から適切なビームを選択して通信を行う
   ことを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
2. 請求項１に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、ビームパターンを切り換える時間を確保するために必要な時間ギャップを前記ダウンロードフレーム内にさらに含むことを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
3. 請求項１または２に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の移動端末のそれぞれは、前記通信品質情報と前記パターンを示す情報を含む前記アップロードフレームを送信する場合に、直交コードを用いて送信することを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、前記１以上の移動端末から受信したそれぞれのアップロードフレームに含まれるそれぞれの通信品質情報または前記パターンを示す情報に基づいて、前記１以上の移動端末のグループ化を行い、グループ化された移動端末ごとに自身が送信可能なビームパターンの中から適切なビームを選択し、グループ化およびビーム選択の結果をセクタ・セル境界を共存する他の基地局との間で相互に送信し、前記他の基地局から受信した結果を参照して前記セクタ・セル境界での干渉が生じないように、基地局間の協調を取って最終的に移動端末のグループ化および各グループに対する適切なビーム選択を決定し、決定結果を前記他の基地局との間で相互に送信する
   ことを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、前記１以上の移動端末から受信したそれぞれのアップロードフレームに含まれるそれぞれの通信品質情報または前記パターンを示す情報に基づいて、前記１以上の移動端末のグループ化を行い、グループ化された移動端末ごとに自身が送信可能なビームパターンの中から適切なビームを選択し、グループ化およびビーム選択の結果をセクタ・セル境界を共存する他の基地局との間で相互に送信し、前記他の基地局から受信した結果を参照して前記セクタ・セル境界に存在する同一の移動端末に対して異なる伝搬環境を有する異なる基地局から前記移動端末に対する信号が伝搬されるように、基地局間の協調を取って最終的に移動端末のグループ化および各グループに対する適切なビーム選択を決定し、決定結果を前記他の基地局との間で相互に送信する
   ことを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
6. 請求項４または５に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の基地局のそれぞれから受け取ったグループ化およびビーム選択の結果に基づいて、セクタ・セル境界を共存する基地局間の協調を取り、基地局ごとの移動端末のグループ化および各グループに対する適切なビーム選択を決定し、それぞれの基地局に決定結果を協調動作制御信号として通知する基地局間連携制御装置をさらに備えることを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアナログビームフォーミング通信システムにおいて、
   前記１以上の基地局のそれぞれは、同一周波数にて複数ビームを送受信可能であり、複数ビーム間で干渉を避けるための符号処理を行う機能をさらに備えることを特徴とするアナログビームフォーミング通信システム。

Images