JP5404355B2 - 基地局、移動通信システム、および通信負荷分散方法 - Google Patents

Description

本発明は、基地局、移動通信システム、および通信負荷分散方法に関する。

移動通信システムでは、無線環境の状態や移動局の分布状況などに応じて、特定の基地局に通信負荷が集中することがある。このような場合に、接続中の移動局にハンドオーバを指示することにより、通信負荷を緩和することができる基地局が知られている（たとえば特許文献１参照）。

特表２００１−５２５１３８号公報

しかしながら、上記従来の基地局では、自局の通信負荷が増大した場合に、ハンドオーバをさせる移動局の選定や選定した移動局へのハンドオーバ指示など、ハンドオーバに関する一連の処理をさらに実行する必要があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、自局に接続している移動局にハンドオーバを指示することなく通信負荷を分散することができる基地局、移動通信システム、および通信負荷分散方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る基地局は、自局の通信負荷を検出する検出手段と、周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択する１以上の移動局に対して、無線信号を送信する送信手段と、前記検出手段により検出される通信負荷に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。

本発明では、基地局が、各移動局がその周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択することを利用して、通信負荷を分散する。具体的には、基地局が、自局の通信負荷に応じて、移動局に対して送信される無線信号の送信タイミングを制御することにより、自局の実質的なカバー範囲（実効セル）を拡大または縮小する。このため、基地局は、自局に接続している移動局にハンドオーバを指示することなく、通信負荷を分散することができる。

また、本発明の一態様では、前記１以上の移動局のそれぞれは、前記周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間の短さに基づいて接続先を選択し、前記制御手段は、前記検出手段により検出される通信負荷の増大に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを遅らせてもよい。

この態様によれば、基地局は、自局の通信負荷が増大した場合に、自局の実効セルを縮小し、それまで自局に接続していた移動局の一部をセル外に追い出すことができる。このため、基地局は、自局に接続している移動局にハンドオーバを指示することなく、自局の通信負荷を低減することができる。

なお、この態様では、前記制御手段は、前記検出手段により検出される通信負荷の減少に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを早めてもよい。

こうすれば、基地局は、自局の通信負荷が減少した場合に、自局の実効セルを拡大し、それまでセル外にあった移動局をセル内に引き込むことができる。このため、基地局は、自局の通信負荷が減少した場合に、自局に接続する移動局の数を増やすことができる。

また、本発明の一態様では、前記検出手段は、自局に接続している移動局の数に基づいて、自局の通信負荷を検出してもよい。

また、本発明の一態様では、前記検出手段は、自局が使用している無線リソースの量に基づいて、自局の通信負荷を検出してもよい。

また、本発明に係る移動通信システムは、複数の移動局と複数の基地局とを含む移動通信システムであって、前記複数の移動局のそれぞれは、周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択し、前記複数の基地局のそれぞれは、自局の通信負荷を検出する検出手段と、前記複数の移動局の１以上に対して、無線信号を送信する送信手段と、前記検出手段により検出される通信負荷に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを制御する制御手段と、を含む、ことを特徴とする。

また、本発明に係る通信負荷分散方法は、基地局の通信負荷を検出するステップと、前記基地局が、周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択する１以上の移動局に対して、無線信号を送信するステップと、前記検出される通信負荷に応じて、前記基地局による前記無線信号の送信タイミングを制御するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態に係る移動通信システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る移動通信システムにおける無線チャネル構成を示す図である。 本実施形態に係る基地局の通信負荷に応じて変動（拡大／縮小）する実効セル半径を示す図である。 本実施形態に係る基地局の機能ブロック図である。 通信負荷と送信タイミングの繰り上げ量との対応関係を定義したテーブルの一例を示す図である。 本実施形態に係る基地局の送信タイミング制御処理を示すフロー図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る移動通信システム１０の構成を示す図である。図１に示すように、移動通信システム１０は、複数の基地局１２（ここでは１つのみを示す）と、複数の移動局１４（ここでは基地局１２のセル１６内に位置する移動局１４−１〜１４−４のみを示す）と、を含んで構成される。

各基地局１２は、ＯＦＤＭＡ（Orthogonal Frequency Division Multiple Access：直交周波数分割多元接続）方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ（Time Division Multiple Access/Time Division Duplex：時分割多元接続／時分割複信）方式により、自局のセル１６内に位置する移動局１４と無線通信を行う。なお、移動局１４としては、携帯電話機、通信カード、通信機能を内蔵した携帯情報端末などがある。

図２は、移動通信システム１０における無線チャネル構成を示す図である（縦軸：周波数、横軸：時間）。図２に示すように、移動通信システム１０では、所定周期（ここでは５ｍｓ）のＴＤＭＡフレームが上りサブフレーム（２．５ｍｓ）と下りサブフレーム（２．５ｍｓ）とに区分され、さらに各サブフレームがそれぞれ複数のタイムスロット（ここではＳｌｏｔ１〜Ｓｌｏｔ４）に区分されている。基地局１２とその周辺基地局との間では、ＴＤＭＡフレーム（無線信号の送受信周期）の境界が所定時間内（たとえば±１０μｓ内）に収まるよう、無線信号の送受信タイミングの同期がなされている（フレーム同期がなされている）。また、所定の周波数帯域に複数のＯＦＤＭＡサブチャネル（ここではＳｃｈ１〜Ｓｃｈ１８）が規定されている。

基地局１２が移動局１４に割り当てる無線チャネルの最小単位はＰＲＵ（Physical Resource Unit）と呼ばれ、各ＰＲＵは、タイムスロット（Ｓｌｏｔ１〜Ｓｌｏｔ４）のいずれかと、サブチャネル（Ｓｃｈ１〜Ｓｃｈ１８）のいずれかと、に属する。なお、上りサブフレームおよび下りサブフレームともに、各ＰＲＵが、たとえば１から始まる連続するＰＲＵ番号（１，２，３，・・・）で識別されるよう定められており、ＰＲＵ番号の同じＰＲＵは上下ペアで使用されることになっている。つまり、ＰＲＵは上下対称に割り当てられる。

このうち、ある特定のサブチャネル（ここではＳｃｈ１）に属するＰＲＵは、１以上の移動局１４に共用されるＣＣＨ（Common Channel：共通チャネル）として規定されている。また、各基地局１２には、所定の周期で繰り返される互いに重複しないＣＣＨの送受信タイミング（以下単に「ＣＣＨタイミング」という）が割り当てられている。具体的には、連続する２０フレームに含まれる８０のタイムスロット対（４対の上下タイムスロット×２０フレーム）のいずれか１つがＣＣＨタイミングとして各基地局１２に割り当てられている。そして、各基地局１２は、自局に割り当てられたＣＣＨタイミングで、自局のセル１６内に位置する１以上の移動局１４と各種制御信号を送受信する。

一方、上記特定のサブチャネル以外のサブチャネル（ここではＳｃｈ２〜Ｓｃｈ１８）に属するＰＲＵは、各移動局１４に個別に割り当てられるＩＣＨ（Individual Channel：個別チャネル）として用いられる。ＩＣＨには、各移動局１４に個別制御チャネルとして原則１つ割り当てられ主に制御情報の伝送に用いられるＡＮＣＨ（Anchor Channel）、各移動局１４に通信チャネルとして１つ以上割り当てられ主に通信データの伝送に用いられるＥＸＣＨ（Extra Channel）などがある。

移動通信システム１０では、移動局１４が、その周辺に位置する基地局１２（接続中の基地局１２を含む）のそれぞれから送信される無線信号を受信しており、受信された無線信号の伝搬遅延時間（たとえば、伝搬遅延時間の短い順、伝搬遅延時間が所定時間以下であるか否かなどの伝搬遅延時間の短さ）に基づいて接続先となる基地局１２を選択する。たとえば、移動局１４は、受信された無線信号の伝搬遅延時間が最も短い基地局１２（その移動局１４に最も近い基地局１２）を接続先を選択する。

なお、基地局１２から移動局１４に対して送信される無線信号には、ＣＣＨを介して送信されるＢＣＣＨ（Broadcasting Control Channel：報知制御チャネル）やＰＣＨ（Paging Channel：一斉呼出チャネル）、ＩＣＨを介して送信される制御信号や通信信号などがある。これらの無線信号には、タイミング同期用の既知信号が含まれている。そこで、移動局１４は、この既知信号を用いて、基地局１２から送信される無線信号の伝搬遅延時間を求めてもよい。すなわち、移動局１４は、基地局１２から送信された無線信号と既知信号との相関値を検出し、所定値以上の相関値が検出されたタイミングを、その無線信号の受信タイミングとして取得する。そして、取得された無線信号の受信タイミングに基づいて、その無線信号の伝搬遅延時間を求めてもよい。

これに対し、基地局１２は、各移動局１４がその周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択することを利用して、通信負荷の分散を図る。具体的には、基地局１２が、自局の通信負荷に応じて、移動局１４に対して送信される無線信号の送信タイミングを制御することにより、自局の実質的なカバー範囲（実効セル）を拡大または縮小する。ただし、この送信タイミングの制御は、基地局１２とその周辺基地局との間のフレーム同期が維持されるよう（たとえば±１０μｓのオーダー）、十分に小さい範囲（たとえば±１μｓのオーダー）で行われる。

図３は、基地局１２の通信負荷に応じて変動（拡大／縮小）する実効セル半径を示す図である。ある時点で、基地局１２の実効セルがセル１６−Ａで示される範囲になり、セル１６−Ａ内に位置する移動局１４−１〜１４−４が基地局１２に接続しているものとする。

ここで、基地局１２の通信負荷が増大した判断されると、基地局１２は、その通信負荷に応じた量だけ、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを遅らせる。これにより、周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいて接続先を選択する移動局１４にとっては、基地局１２の実効セルが縮小したように見える。たとえば移動局１４から見た基地局１２の実効セルがセル１６−Ａからセル１６−Ｂで示される範囲に縮小したとすると、それまで基地局１２に接続していた移動局１４−２，１４−３は、他の基地局１２にハンドオーバを行うか通信を終了することになる。その結果、基地局１２に接続する移動局１４の数が減少し、基地局１２の通信負荷も減少することになる。

逆に、基地局１２のセル１６がセル１６−Ａで示される範囲にある状態で、基地局１２の通信負荷が減少した判断されると、基地局１２は、その通信負荷に応じた量だけ、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを早める。これにより、移動局１４にとっては、基地局１２の実効セルが拡大したように見える。たとえば移動局１４から見た基地局１２の実効セルがセル１６−Ａからセル１６−Ｃで示される範囲に拡大したとすると、それまで基地局１２の実効セル外にあった移動局１４−５〜１４−７が新たに基地局１２に接続できるようになる。その結果、基地局１２に接続する移動局１４の数が増大し、基地局１２の通信負荷も増大することになる。

このように、移動通信システム１０では、各基地局１２が、自局の通信負荷に応じて、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを制御することにより、自局の実効セルを拡大または縮小する。このため、各基地局１２は、自局に接続している移動局１４にハンドオーバを指示することなく、通信負荷を分散することができる。

以下では、上記処理を実現するために基地局１２が備える構成について具体的に説明する。

図４は、基地局１２の機能ブロック図である。同図に示すように、基地局１２は、アンテナ２０、受信ＲＦ部２２、受信ベースバンド部２４、通信負荷検出部２６、記憶部２８、送信タイミング制御部３０、送信ベースバンド部３２、および送信ＲＦ部３４を含んで構成される。

アンテナ２０は、移動局１４から送信される無線信号を受信し、受信された無線信号（受信信号）を受信ＲＦ部２２に出力する。また、アンテナ２０は、受信ＲＦ部２２から供給される無線信号を移動局１４に対して送信する。

受信ＲＦ部２２は、低雑音増幅器、周波数変換器、帯域通過フィルタ、およびＡ／Ｄ変換器を含んで構成される。受信ＲＦ部２２は、アンテナ２０から入力される無線信号を、低雑音増幅器で増幅した後、中間周波数信号にダウンコンバートし、さらにデジタル信号に変換に変換してから、受信ベースバンド部２４に出力する。

受信ベースバンド部２４は、直並列変換器、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部、並直列変換器、および復調部（図示せず）を含んで構成される。受信ベースバンド部２４は、受信ＲＦ部２２から入力されるデジタル信号に、直並列変換、ＣＰ（Cyclic Prefix）の除去、１次復調（高速フーリエ変換）、並直列変換、２次復調（シンボルデマッピング）などを施し、得られた受信データを上位レイヤ（図示せず）に出力する。

通信負荷検出部２６は、基地局１２の通信負荷を常時または定期的に検出し、検出された通信負荷を送信タイミング制御部３０に通知する。たとえば、通信負荷検出部２６は、基地局１２に接続している移動局１４の数に基づいて、基地局１２の通信負荷を検出してもよい。より具体的には、通信負荷検出部２６は、移動通信システム１０で予め設定してある移動局収容数の上限値に対する実際の移動局収容数の比率（割合）を、基地局１２の通信負荷として検出してもよい。

また、通信負荷検出部２６は、基地局１２が使用している無線リソースの量、つまり、基地局１２が移動局１４との通信に割り当てているＰＲＵの数に基づいて、基地局１２の通信負荷を検出してもよい。たとえば、通信負荷検出部２６は、割り当て可能ＰＲＵ数の上限値（ここでは７２、図２参照）に対する実際の割り当てＰＲＵ数の比率（割合）を、基地局１２の通信負荷として検出してもよい。

また、通信負荷検出部２６は、基地局１２と移動局１４との間で送受されるデータの量、基地局１２とその上位ネットワーク（たとえばＩＰネットワーク）との間で送受されるデータの量、基地局１２のＣＰＵ占有率などに基づいて、基地局１２の通信負荷を検出してもよい。

記憶部２８は、たとえば半導体メモリ素子で構成され、基地局１２の動作に必要となるプログラム、データ、図５の左側に示すテーブルなどを記憶する。なお、図５の左側に示すテーブルは、基地局１２の通信負荷と、基地局１２から移動局１４に送信される無線信号の送信タイミングの繰り上げ量と、の対応関係を定義したテーブルの一例である。

送信タイミング制御部３０は、通信負荷検出部２６により検出される基地局１２の通信負荷に応じて、移動局１４に対して送信される無線信号の送信タイミングを制御する。すなわち、送信タイミング制御部３０は、通信負荷検出部２６より検出される基地局１２の通信負荷に対応する送信タイミングの繰り上げ量を、記憶部２８に記憶される通信負荷と送信タイミングの繰り上げ量との対応関係を定義したテーブル（図５参照）から読み出す。そして、送信タイミング制御部３０は、読み出された繰り上げ量だけ早いタイミングで（繰り上げ量がマイナスの場合は繰り上げ量の絶対値だけ遅いタイミングで）移動局１４宛ての無線信号（ＢＣＣＨ、ＰＣＨ、通信信号など）を送信するよう、送信ベースバンド部３２に指示する。

このため、たとえば図５の左側に示すテーブルによれば、基地局１２の通信負荷が５０％から７５％に増大すると、送信タイミングの繰り上げ量が０．０μｓから−０．５μｓに減少するため、基地局１２の実効セル半径は１５０ｍだけ縮小する（図５の右側参照）。その結果、それまで基地局１２に接続していた移動局１４の一部がセル外に追い出され、基地局１２の通信負荷は減少することになる。

逆に、基地局１２の通信負荷が２５％から１０％に減少すると、送信タイミングの繰り上げ量が＋０．５μｓから＋１．０μｓに増大するため、基地局１２の実効セル半径は１５０ｍだけ拡大する（図５の右側参照）。その結果、それまで基地局１２のセル外にあった移動局１４がセル内に引き込まれ、基地局１２の通信負荷は増大することになる。

送信ベースバンド部３２は、直並列変換器、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部、並直列変換器、および変調部（図示せず）を含んで構成される。送信ベースバンド部３２は、上位レイヤ（図示せず）から入力される接続中の基地局１２または接続先となる基地局１２宛ての送信データに、１次変調（シンボルマッピング）、直並列変換、２次変調（逆高速フーリエ変換）、ＣＰの付加、並直列変換などを施し、得られたデジタル信号を送信ＲＦ部３４に出力する。

送信ＲＦ部３４は、電力増幅器、周波数変換器、帯域通過フィルタ、およびＤ／Ａ変換器を含んで構成される。送信ＲＦ部３４は、送信ベースバンド部３２から入力されるデジタル信号を、アナログ信号に変換した後、無線信号にアップコンバートし、電力増幅器で送信出力レベルまで増幅してから、アンテナ２０に供給する。

次に、図６に基づいて、基地局１２の動作の一例を説明する。図６は、基地局１２の送信タイミング制御処理の一例を示す図である。

図６に示すように、基地局１２は、常時または定期的に、自局の通信負荷が変化したか否かを監視している（Ｓ１００）。ここで、自局の通信負荷が変化すると（Ｓ１００：Ｙ）、基地局１２は、図５に示すように、その通信負荷に基づいて、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを決定する（Ｓ１０２）。すなわち、基地局１２は、自局の通信負荷の増大に応じて、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを遅らせ、逆に、自局の通信負荷の減少に応じて、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを早める。

そして、基地局１２は、Ｓ１０２で決定された送信タイミングで移動局１４宛ての無線信号（ＢＣＣＨ、ＰＣＨ、通信信号など）を送信する（Ｓ１０４）。これにより、基地局１２の通信負荷が高い場合（基地局１２のキャパシティに余裕がない場合）には、基地局１２の実効セルが縮小し、逆に、基地局１２の通信負荷が低い場合（基地局１２のキャパシティに余裕がある場合）には、基地局１２の実効セルが拡大するようになる。

以上説明した移動通信システム１０によれば、各基地局１２が、自局の通信負荷に応じて、移動局１４宛ての無線信号の送信タイミングを制御することにより、自局の実効セルを拡大または縮小する。このため、各基地局１２は、自局に接続している移動局１４にハンドオーバを指示することなく、通信負荷を分散することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

たとえば、本発明は、ＯＦＤＭＡ方式およびＴＤＭＡ／ＴＤＤ方式を採用する移動通信システムに限らず、通信負荷の偏りが問題視される移動通信システム全般に広く適用可能である。

１０ 移動通信システム、１２ 基地局、１４ 移動局、１６ セル、２０ アンテナ、２２ 受信ＲＦ部、２４ 受信ベースバンド部、２６ 通信負荷検出部、２８ 記憶部、３０ 送信タイミング制御部、３２ 送信ベースバンド部、３４ 送信ＲＦ部。

Claims (7)

1. 自局の通信負荷を検出する検出手段と、
   自局を含む周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいてハンドオーバを行うか通信を終了する移動局であり自局に接続中の１以上の移動局に対して、前記無線信号を送信する送信手段と、
   前記検出手段により検出される通信負荷に応じて、前記自局に接続中の移動局に対する前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを制御する制御手段と、
   を含むことを特徴とする基地局。
2. 請求項１に記載の基地局において、
   前記周辺基地局から送信される前記無線信号の伝搬遅延時間のうち、該伝搬遅延時間が所定時間以下で該伝搬遅延時間が最も短い基地局を前記ハンドオーバの接続先として選択する前記移動局に対し、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出される通信負荷の増大に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを遅らせる、
   ことを特徴とする基地局。
3. 請求項２に記載の基地局において、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出される通信負荷の減少に応じて、前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを早める、
   ことを特徴とする基地局。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の基地局において、
   前記検出手段は、自局に接続している移動局の数に基づいて、自局の通信負荷を検出する、
   ことを特徴とする基地局。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の基地局において、
   前記検出手段は、自局が使用している無線リソースの量に基づいて、自局の通信負荷を検出する、
   ことを特徴とする基地局。
6. 複数の移動局と複数の基地局とを含む移動通信システムであって、
   前記複数の移動局のそれぞれは、周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいてハンドオーバを行うか通信を終了し、
   前記複数の基地局のそれぞれは、
   自局の通信負荷を検出する検出手段と、
   前記複数の移動局のうち自局に接続中の１以上に対して、無線信号を送信する送信手段と、
   前記検出手段により検出される通信負荷に応じて、前記自局に接続中の移動局に対する前記送信手段による前記無線信号の送信タイミングを制御する制御手段と、
   を含む、
   ことを特徴とする移動通信システム。
7. 基地局の通信負荷を検出するステップと、
   前記基地局が、自局を含む周辺基地局から送信される無線信号の伝搬遅延時間に基づいてハンドオーバを行うか通信を終了する移動局であり自局に接続中の１以上の移動局に対して、前記無線信号を送信するステップと、
   前記検出される通信負荷に応じて、前記基地局に接続中の移動局に対する前記基地局による前記無線信号の送信タイミングを制御するステップと、
   を含むことを特徴とする通信負荷分散方法。

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