JP5773930B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システムおよび無線通信方法に関するものである。

無線端末が基地局と通信するためには、基地局からの無線電波が届く範囲（サービスエリア）に無線端末が位置する必要がある。しかし、山岳地帯や高層ビル等が建ち並ぶ市街地には障害物が多いため無線電波が届きにくい領域が存在する。このような電波が届かない領域をカバーするためには、基地局と無線端末との間の無線電波を中継する中継装置（レピータ）が必要となる。

中継装置は、通常、１台の基地局と無線通信を行う。中継装置は、基地局が送信する下り信号（ダウンリンク信号）を受信して当該中継装置のセル内の無線端末に送信し、また、セル内の無線端末が送信する上り信号（アップリンク信号）を受信して基地局に送信する。

このように、電波が届きにくい領域に中継装置を設置し、中継装置が基地局と無線端末との間の無線電波を中継することにより、サービスエリアを広げることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５６７１１号公報

しかしながら、中継装置はセル内に位置する複数の無線端末の無線通信を中継することから通常の無線端末に比べて通信量が多い。したがって、中継装置と無線通信を行う基地局の通信量が大きく増え、要求される通信量が基地局の処理能力を超えると、当該基地局のセル内に位置する無線端末が通信できなくなったりつながりにくくなったりする場合がある（以下、このような状態を「輻輳」という）。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、中継装置と無線通信を行う基地局が輻輳する可能性を低減できる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る無線通信システムの発明は、複数の基地局、中継装置および制御局を備える無線通信システムにおいて、前記複数の基地局の各々は、定期的に通信量に関する情報を前記制御局に送信し、前記制御局は、前記受信した各基地局の通信量に関する情報を基に、前記中継装置が、所定期間毎に無線通信を行う前記基地局を決定し、前記複数の基地局と巡回して無線通信を行うよう制御し、前記中継装置は、前記制御局が決定した基地局のみと前記所定期間毎に無線通信を行う、ことを特徴とする。

上述したように本発明の解決手段をシステムとして説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

例えば、本発明を方法として実現させた第２の観点に係る無線通信方法の発明は、複数の基地局、中継装置および制御局を備える無線通信システムの無線通信方法であって、前記複数の基地局の各々は、定期的に通信量に関する情報を前記制御局に送信するステップと、前記制御局は、前記受信した各基地局の通信量に関する情報を基に、前記中継装置が、所定期間毎に無線通信を行う前記基地局を決定し、前記複数の基地局と巡回して無線通信を行うよう制御するステップと、前記中継装置は、前記制御局が決定した基地局のみと前記所定期間毎に無線通信を行うステップと、を含むこと特徴とする。

本発明によれば、通信量が多い領域に中継装置を設置しても、当該中継装置と無線通信を行う基地局が輻輳する可能性を低減できる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る無線通信システムの概略図である。 本発明の第１実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る中継装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る無線通信システムにおいて中継装置がアダプティブアレイアンテナを備える場合の様子を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る無線通信システムにおける無線通信の様子を示すシーケンス図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信システムにおいて輻輳直前状態の基地局が存在する様子を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る無線通信システムにおける無線通信の様子を示すシーケンス図である。 本発明の第３実施形態に係る無線通信システムにおいて各基地局の通信量を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る無線通信システムにおける無線通信の様子を示すシーケンス図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る無線通信システムの概略図である。図１に示す無線通信システムは、制御局１０、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０を備える。

図１は、基地局２０−１〜２０−６で囲まれた領域の中心付近に、いずれの基地局２０からも電波が届きにくい領域があり、当該領域に中継装置３０を設置した状況を示している。中継装置３０は、基地局２０−１〜２０−６と無線端末（図示せず）との間の無線通信を中継する。

制御局１０は、無線回線の回線接続制御やハンドオーバ制御等を行う。

また、制御局１０は、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０の各々と有線で接続される。制御局１０は、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０にタイミング制御信号を送信し、基地局２０−１〜２０−６が中継装置３０と無線通信を行うタイミングを制御する。このタイミング制御信号には、各基地局２０の識別情報と当該各基地局２０が中継装置３０と無線通信を行うタイミング（例えば、無線通信を行う順序）を示す情報とが対応付けられたタイミング情報と、当該タイミング制御信号で指示するタイミングが適用される時間（例えば、時間であったり、フレーム番号）を示す適用タイミング情報等が含まれる。さらに、制御局１０は、タイミング制御信号で指示した各タイミングに対応する基地局２０が中継装置３０に対してダウンリンク信号を送信できるよう、タイミング情報と適用タイミング情報に含めた情報を利用して算出したタイミングでダウンリンクデータを各基地局２０−１〜２０−６に対して送信する。

なお、図１は、あくまで本願に係る無線通信システムの一例を示すものであり、基地局の台数は６台に限るものではなく、また、中継装置の台数も１台に限るものではない。また、基地局２０−１〜２０−６は同種の装置であり、総称する場合は基地局２０と記載する。以後、符号については同様に取り扱う。同種の装置等を区別する場合はハイフン後の数字で区別し、総称する場合はハイフン前の数字のみを記載する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る基地局の概略構成を示す機能ブロック図である。基地局２０は、通信部２１と制御部２２と記憶部２３とを備える。

通信部２１は、アンテナを介して中継装置３０または無線端末と無線通信を行う。通信部２１は、ダウンリンク信号については、制御部２２からベースバンド周波数の信号を受け取り、無線信号にアップコンバートしてから、アンテナを介して中継装置３０または無線端末に送信する。通信部２１は、アップリンク信号については、アンテナを介して中継装置３０または無線端末から無線信号を受信し、ベースバンド周波数にダウンコンバートしてから、制御部２２に出力する。

制御部２２は、ダウンリンクについては、制御局１０からダウンリンクデータを受け取り、ベースバンド信号に変換してから通信部２１に出力する。制御部２２は、アップリンクについては、通信部２１からベースバンド信号を受け取り、アップリンクデータに変換してから制御局１０に出力する。

制御部２２は、制御局１０からタイミング制御信号を受信し、当該タイミング制御信号が指示するタイミングにしたがって基地局２０が中継装置３０と無線通信を行うように、基地局２０を制御する。

制御部２２は、基地局２０の通信量を監視する。制御部２２は、通信量が所定の閾値を超えている場合は、それ以上通信量が増えると輻輳する危険性が高い状態（以下「輻輳直前状態」と称する）であると判定し、輻輳直前状態である旨を制御局１０に通知する。なお、監視する通信量は、アップリンクの通信量であっても、ダウンリンクの通信量であってもよい。

記憶部２３は、輻輳直前状態であるか否かを判定するための閾値を記憶する。記憶部２３が記憶する閾値は、１つでもよいし、複数の閾値であってもよい。例えば、記憶部２３が２つの閾値Ｔ１およびＴ２（Ｔ１＜Ｔ２）を有する場合は、基地局２０の通信量について、通信量＜Ｔ１の場合は通信量「小」、Ｔ１≦通信量＜Ｔ２の場合は通信量「普通」、Ｔ２≦通信量の場合は通信量「大」などのように、３段階の判定をするようにしてもよい。

図３は、本発明の第１実施形態に係る中継装置の概略構成を示す機能ブロック図である。中継装置３０は、通信部３１と制御部３２と記憶部３３とアダプティブアレイアンテナ３４とを備える。

通信部３１は、アダプティブアレイアンテナ３４を介して基地局２０と無線通信を行い、アンテナ３５を介して無線端末と無線通信を行う。通信部３１は、ダウンリンク信号については、アダプティブアレイアンテナ３４を介して基地局２０から無線信号を受信し、アンテナ３５を介して無線端末に送信する。通信部３１は、アップリンク信号については、アンテナ３５を介して無線端末から無線信号を受信し、アダプティブアレイアンテナ３４を介して基地局２０に送信する。

制御部３２は、制御局１０からタイミング制御信号を受信し、当該タイミング制御信号が指示するタイミングにしたがって中継装置３０がいずれかの基地局２０と無線通信を行うように、中継装置３０を制御する。

記憶部３３は、基地局２０−１〜２０−６のそれぞれに対して、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を決定する重み付けパラメータを記憶する。中継装置３０の設置場所を固定して使用する場合は、アダプティブアレイアンテナ３４の重み付けパラメータは時間に対して変動しないので、中継装置３０の設置時などに調整して決定した各基地局２０−１〜２０−６に対する値を記憶部３３に記憶しておくことができる。

アダプティブアレイアンテナ３４は、複数のアンテナを備え、各アンテナの受信信号の振幅と位相に適切な重み付けをして合成することにより、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を制御することができる。

アダプティブアレイアンテナ３４は、例えば、指向性を基地局２０−１の方向に向けることにより、基地局２０−１からの信号を高レベルで受信し、その他の基地局２０−２〜２０−６からの信号を低レベルに抑圧することができる。アダプティブアレイアンテナ３４の指向性をどの方向に向けるかは、制御部３２が制御する。中継装置３０の設置場所を固定して使用する場合は、制御部３２は、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を向ける基地局２０に対応する重み付けパラメータを記憶部３３から読み出して指向性を設定することができる。この場合、制御部３２は、複雑な演算をして重み付けパラメータを算出する必要がないため、小さい回路規模で構成することが可能になる。

なお、中継装置３０は、アダプティブアレイアンテナ３４を備えることにより、基地局２０−１〜２０−６との無線通信におけるＳＮ比（Signal to Noise Ratio）を改善することができるが、アダプティブアレイアンテナ３４を備えることは本発明の必須要件ではない。通常のアンテナを備えている場合であっても、中継装置３０は、特定の基地局２０と無線通信を行うことはできる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る無線通信システムにおいて、中継装置３０がアダプティブアレイアンテナ３４を備え、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１〜２０−６のそれぞれに向けた様子を重ね合わせた図である。例えば、基地局２０−１と中継装置３０とを囲う楕円は、中継装置３０のアダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１の方向に向けている状態を示す。中継装置３０は、アダプティブアレイアンテナ３４の重み付けパラメータを制御することにより、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１〜２０−６のうちのいずれかの方向に向けることができる。

図５に、中継装置３０が、無線通信を行う基地局２０を所定期間毎に切り換えて、基地局２０−１〜２０−６と巡回して無線通信を行うシーケンスを示す。

制御局１０は、各基地局２０−１〜２０−６が中継装置３０と無線通信を行うタイミングを指示するタイミング制御信号を、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する（図５の１０１）。

受信したタイミング制御信号で指示されたタイミングを適用する時間になると、最初に中継装置３０と無線通信を行うよう指示された基地局２０−１は、１番目にダウンリンク信号を中継装置３０に送信する（図５の１０２）。続いて、中継装置３０は、アップリンク信号を基地局２０−１へ送信する（図５の１０３）。中継装置３０は、図５のステップ１０２および１０３が実行される期間においては、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１の方向に向けることにより、基地局２０−１との間の無線通信のＳＮ比を改善することができる。

以後、基地局２０−２〜２０−６について、同様の処理を繰り返す（図５の１０４〜１１３）。中継装置３０から基地局２０−６へのアップリンク信号の送信（図５の１１３）が終了すると、制御局１０がタイミング制御信号を送信する処理に戻り、同じ処理を繰り返す。このように、中継装置３０は、基地局２０−１〜２０−６を巡回して所定の期間毎に無線通信を行う。なお、タイミングに変更がない場合は、制御局１０がタイミング制御信号を送信する処理は省略して、図５の１０２〜１１３の処理のみを繰り返すようにしてもよい。

このように、本実施形態によれば、中継装置３０を設置した場合に、ある特定の基地局２０の通信量だけを増大させるのではなく、複数の基地局２０に通信量を分散することができるため、通信量が多い領域に中継装置３０を設置しても、中継装置３０と無線通信を行う基地局２０が輻輳する可能性を低減できる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る無線通信システムにおいて、輻輳直前状態の基地局が存在する様子を示す図である。図６は、基地局２０−２が、セル内に無線端末の数が多いなどの理由により通信量が多く、輻輳直前状態となっている例を示す。図６において、基地局２０−２と中継装置３０とを囲う楕円は記載されていないが、これは、中継装置３０が無線中継装置２０−１〜２０−６と巡回して無線通信を行う際に、輻輳直前状態の基地局２０−２とは無線通信を行わないこと、すなわち、中継装置３０がアダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−２に向けるタイミングがないことを示している。

図７に、図６の状態において、中継装置３０が基地局２０−１〜２０−６と巡回して無線通信を行うシーケンスを示す。

基地局２０−１〜２０−６は、定期的に基地局２０−１〜２０−６の通信量を監視する。例えば、基地局２０−２のセル内の無線端末が増えるなどして基地局２０−２通信量が増え、通信量が所定の閾値を超えると、基地局２０−２は、輻輳直前状態であることを検出する（図７の２０１）。基地局２０−２は、輻輳直前状態を検出すると、基地局２０−２が輻輳直前状態であることを制御局１０に通知する（図７の２０２）。

制御局１０は、タイミング制御信号を、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する（図７の２０３）。この際、制御局１０は、中継装置３０が輻輳直前状態にある基地局２０−２との無線通信をしないように、基地局２０−１および基地局２０−３〜２０−６を巡回するようなタイミングとなるタイミング制御信号を基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する。

受信したタイミング制御信号で指示されたタイミングを適用する時間になると、最初に中継装置３０と無線通信を行うよう指示された基地局２０−１は、ダウンリンク信号を中継装置３０に送信する（図７の２０４）。続いて、中継装置３０は、アップリンク信号を基地局２０−１へ送信する（図７の２０５）。中継装置３０は、図７のステップ２０４および２０５が実行される期間においては、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１の方向に向けることにより、基地局２０−１との間の無線通信のＳＮ比を改善することができる。

基地局２０−２は、中継装置３０とは無線通信を行わないため、図７の２０５のステップに続いて、基地局２０−３が、ダウンリンク信号を中継装置３０に送信する（図７の２０６）。続いて、中継装置３０は、アップリンク信号を基地局２０−３へ送信する（図７の２０７）。中継装置３０は、図７のステップ２０６および２０７が実行される期間においては、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−３の方向に向けることにより、基地局２０−３との間の無線通信のＳＮ比を改善することができる。

以後、基地局２０−４〜２０−６について、同様の処理を繰り返す（図７の２０８〜２１３）。中継装置３０から基地局２０−６へのアップリンク信号の送信（図７の２１３）が終了すると、制御局１０がタイミング制御信号を送信する処理に戻り、同じ処理を繰り返す。なお、タイミングに変更がない場合は、制御局１０がタイミング制御信号を送信する処理は省略して、図７の２０４〜２１３の処理のみを繰り返すようにしてもよい。

このように、本実施形態によれば、中継装置３０が、輻輳直前状態の基地局２０−２をとばして、無線通信を行う基地局２０を巡回することにより、輻輳直前状態にある基地局２０−２が輻輳することを避け、通信量が多い領域に中継装置３０を設置しても、中継装置３０と無線通信を行う基地局２０が輻輳する可能性を低減できる。

（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係る無線通信システムにおいて、各基地局２０−１〜２０−６における通信量を、記憶部２３において記憶される閾値を用いて、「小」、「普通」、「大」と、３段階に判定した結果を示す。図８において、中継装置３０が基地局２０−１〜２０−６と巡回して無線通信を行う際に、通信量の大きい基地局２０との無線通信を行わず、通信量の小さい基地局２０と優先的に無線通信を行う、すなわち、中継装置３０がアダプティブアレイアンテナ３４の指向性を通信量の小さい基地局２０−２に継続的に向けることを示している。

図９に、図８の状態において、中継装置３０が基地局２０−１〜２０−６と巡回して無線通信を行うシーケンスを示す。

基地局２０−１〜２０−６は、定期的に基地局２０−１〜２０−６の通信量を監視し、監視結果となる通信量に関する情報（ここでは、「小」、「普通」、「大」と、３段階に判定した結果を示す情報）を制御局１０に通知する（図９の３０１）。

制御局１０は、タイミング制御信号を、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する（図９の３０２）。この際、制御局１０は、中継装置３０が、通信量が「小」と判定された基地局２０−２と少なくとも次のタイミング制御信号の送信まで継続的に無線通信するように、タイミング制御信号を基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する。

受信したタイミング制御信号で指示されたタイミングを適用する時間になると、中継装置３０と無線通信を行うよう指示された基地局２０−２は、ダウンリンク信号を中継装置３０に送信する（図９の３０３）。続いて、中継装置３０は、アップリンク信号を基地局２０−２へ送信する（図９の３０４）。中継装置３０は、図９のステップ３０４および３０５が実行される期間においては、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−２の方向に向けることにより、基地局２０−２との間の無線通信のＳＮ比を改善することができる。

次の通信量に関する情報を送信するタイミングとなると、基地局２０−１〜２０−６は、監視結果となる通信量に関する情報を制御局１０に通知する（図９の３０５）。

制御局１０は、タイミング制御信号を、基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する（図９の３０６）。この際、制御局１０は、中継装置３０が、通信量が「小」と判定された基地局２０−１と、基地局２０−３とのうち、予め設定されている優先順位（たとえば、巡回する際に先に送受信するタイミングとなる基地局２０を優先する、といった設定を行う）を用いて、いずれか（ここでは、基地局２０−１とする。）と少なくとも次のタイミング制御信号の送信まで継続的に無線通信するように、タイミング制御信号を基地局２０−１〜２０−６および中継装置３０に送信する。

受信したタイミング制御信号で指示されたタイミングを適用する時間になると、中継装置３０と無線通信を行うよう指示された基地局２０−１は、ダウンリンク信号を中継装置３０に送信する（図９の３０７）。続いて、中継装置３０は、アップリンク信号を基地局２０−１へ送信する（図９の３０８）。中継装置３０は、図９のステップ３０４および３０５が実行される期間においては、アダプティブアレイアンテナ３４の指向性を基地局２０−１の方向に向けることにより、基地局２０−１との間の無線通信のＳＮ比を改善することができる。以後、同様の処理を繰り返す。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

また、上述の実施形態においては、中継装置３０が制御局１０と有線で接続されている場合を例に挙げて説明したが、有線で接続されていなくてもよい。この場合、中継装置３０は、基地局２０から無線通信によりタイミング制御信号を受信することができる。

また、上述の実施形態においては、中継装置３０がアダプティブアレイアンテナを備えている構成を例に挙げて説明したが、中継装置３０の代わりに基地局２０がアダプティブアレイを備えていてもよいし、ともにアダプティブアレイアンテナを備えていてもよい。この場合、各基地局２０は、中継装置３０と無線通信を行うタイミングになると、アダプティブアレイアンテナの指向性を中継装置３０の方向に向けることができる。

１０ 制御局
２０ 基地局
２１ 通信部
２２ 制御部
２３ 記憶部
３０ 中継装置
３１ 通信部
３２ 制御部
３３ 記憶部
３４ アダプティブアレイアンテナ
３５ アンテナ

Claims (4)

1. 複数の基地局、中継装置および制御局を備える無線通信システムにおいて、
   前記複数の基地局の各々は、定期的に通信量に関する情報を前記制御局に送信し、
   前記制御局は、前記受信した各基地局の通信量に関する情報を基に、前記中継装置が、所定期間毎に無線通信を行う前記基地局を決定し、前記複数の基地局と巡回して無線通信を行うよう制御し、
   前記中継装置は、前記制御局が決定した基地局と前記所定期間毎に無線通信を行う、
   ことを特徴とする無線通信システム。
2. 複数の基地局、中継装置および制御局を備える無線通信システムの無線通信方法であって、
   前記複数の基地局の各々は、定期的に通信量に関する情報を前記制御局に送信するステップと、
   前記制御局は、前記受信した各基地局の通信量に関する情報を基に、前記中継装置が、所定期間毎に無線通信を行う前記基地局を決定し、前記複数の基地局と巡回して無線通信を行うよう制御するステップと、
   前記中継装置は、前記制御局が決定した基地局と前記所定期間毎に無線通信を行うステップと、
   を含むこと特徴とする無線通信方法。
3. 所定期間毎に自己を含む各基地局と無線通信を行う中継装置および制御局と通信する基地局において、
   定期的に通信量に関する情報を前記制御局に送信し、
   前記制御局が、周辺の各基地局の通信量に関する情報を基に自己の基地局を決定したとき、前記中継装置と前記所定期間毎に無線通信を行う
   ことを特徴とする基地局。
4. 複数の基地局および制御局と通信する中継装置において、
   前記制御局は、各基地局の通信量に関する情報を基に、前記中継装置が、所定期間毎に無線通信を行う前記基地局を決定し、決定した基地局と前記所定期間毎に無線通信を行う、
   ことを特徴とする中継装置。

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