JP6001138B2 - 無線ネットワークノードのエネルギー消費の制御 - Google Patents

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    • Y02D30/70Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Description

本発明は一般に無線ネットワークノード、例えば基地局のエネルギー消費を制御することに関する。
エネルギー消費は、セルラーシステムにおける移動端末にとって長い間重要な問題であった。また、環境保全技術の最近の傾向によって、基地局(BSまたはノードB)のエネルギー消費を減らすことも重要となっているが、それは基地局の電力消費はオペレータのコストのうちで無視できない部分であり、かつ、過大な電力消費は環境に悪影響を与えるからである。さらに、基地局の動作の一部として消費されるエネルギーによって熱が発生するため、典型的には、装置の温度を制御するために積極的な冷却(例えば空調)が必要である。積極的な冷却は、さらに基地局設置個所の総エネルギー消費を増加させるであろう。他の無線ネットワークノード、例えばリレーや中継器にも同様のコメントが当てはまる。
本発明の目的は、無線ネットワークノードによって使用されるエネルギー量を減らすことである。
この目的は、添付の請求項によって達成される。
簡単に言えば、本発明の基本的な考え方は、セルによってサービス提供されるアクティブ状態の端末の数を監視することである。セルによってサービス提供されるアクティブ状態の端末が存在しない時間枠の間は、ダウンリンクの送信は、セルによってサービス提供されていないアクティブ状態の端末がセルを見つけるのを支援するための情報の間欠送信に限定される。
無線ネットワークノードのエネルギー消費を減らすことに加えて、本発明は、ノードによって生成される干渉を減らすという利点をさらに有する。
本発明は、マクロセルがマイクロセルを重畳するセルシナリオにおいて特に有益であり、それゆえ、(マイクロセルエリアにアクティブ状態のセルがまったくかまたは少ししか存在しない)低負荷の場合、(マイクロセルエリア内の)アイドル状態の端末が、マクロセルに留まることができ、それゆえ、それらの同期シンボルをネットワークと同期した状態で使用することができる。
本発明の別の態様によって、無線端末が、情報の間欠送信のタイムスケジュールを示す信号をセルから受信して、情報の間欠送信と移動性測定を同期させる。
本発明の別の態様によって、無線端末は、複数の周波数にわたって第1のセル探索を行って、次いで、第1のセル探索が失敗した場合、各周波数について探索時間が延長された第2のセル探索を行う。
本発明は、本発明の別の目的および利点も含めて、添付の図面と一緒に以下の記述を参照することによって、最も良く理解されうる。
本発明が用いられうるシナリオの図である。 本発明が用いられうる別のシナリオの図である。 本発明による不連続動作の一実施形態を例示するタイムチャートである。 本発明によるエネルギー消費を制御する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。 本発明によるエネルギー消費を制御する方法の一実施形態のさらなる詳細を例示するフローチャートである。 本発明による無線ネットワークノードのエネルギー消費を制御する装置の一実施形態を例示するブロック図である。 基地局における間欠送信と端末における呼び出しとの同期を例示するタイムチャートである。 本発明の一態様による無線端末を操作する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。 本発明の一態様による無線端末の一実施形態を例示するブロック図である。 本発明の別の態様による無線端末を操作する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。 本発明の別の態様による無線端末の一実施形態を例示するブロック図である。
本発明について、LTE(Long−Term Evolution)システムに関して詳細に記述しよう。しかし、同じ原理が、他のシステム、例えばWCDMAやGSMシステムにも用いられてよい。
また、本発明は主に基地局に関して、特にLTE基地局に関して記述されるであろう。しかし、同じ原理が、他の無線ネットワークノード、例えばリレーや中継器やホーム基地局にも適用されてよい。
本願では、基地局が1つ以上の無線セルにサービス提供することを想定する。従って、「基地局」とは、より最近のエンティティ、例えば、ノードBおよびeノードB(evolved NodeB)であって、2つ以上のセルを扱うことができるもののことも言う。
同様に、「端末」は、さまざまなタイプの無線端末、例えば移動局、UE(ユーザ装置)、ラップトップ等を指すのに用いられるであろう。
図1は、本発明が用いられうる第1のシナリオの図である。このシナリオでは、隣接する無線セルRC1およびRC2が、それぞれの基地局BS1およびBS2によって管理される。
図2は、本発明が用いられうる別のシナリオの図である。このシナリオでは、基地局BS1によって管理されるマイクロセルが、基地局BS2によって管理されるマクロセルのカバレージエリア内にある。
現行のセルラーシステム、例えばHSPA(High−Speed Packet Access)およびLTEでは、基地局は、ある種の形式の信号をセル内で連続的に送信する。そのような信号の例として、基準信号(パイロット)、同期信号、およびブロードキャストチャネルがある。これらの信号は多様な目的で使われる。
・データ受信:アクティブ状態の端末は、送信されたデータを受信するため、典型的には基準信号に基づいて、チャネル推定を行う必要がある。また、基準信号は、例えばチャネル依存のスケジューリングのような基地局の機能をサポートするため、ダウンリンクのチャネル品質の推定と報告とに用いられることもある。
・移動性セル探索:端末は、隣接セルを定期的にスキャンする。見込まれる隣接セルを見つけて同期するために、隣接セルの中で送信された同期信号が用いられる。また、アクティブ状態の端末は、典型的には、隣接セルによって送信された基準信号の受信信号強度(RSRP(Reference Signal Received Power)測定値)をネットワークに報告し、ネットワークは、端末が候補セルにハンドオーバされるべきかどうかの決定を行う。
・当初セル探索:電源投入時、端末は、同期信号を求めてスキャンすることによって、接続先として見込まれるセルを見つけようとする。セルを発見し、同期が得られたら、端末は、セル内で送信されたブロードキャストチャネルを読み取って必要なシステム情報を入手し、ネットワークに接続するためにランダムアクセスを行う。
・端末同期:アイドル状態の端末は、ネットワークとの同期を維持できるように、同期信号および/または基準信号(パイロット)を必要とし、すなわち、DRX(Discontinuous Reception)周期をページングすることによって起動すると、これらの信号は、タイミングおよび周波数エラー等を微調整するのに用いられる。
セル内にアクティブ状態のユーザ(端末)が存在する場合、上記の信号を送信するコストは正当化される。しかし、図1および2のセルRC1の場合のように、セル内にアクティブ状態のユーザが存在しない場合、原則としてこれらの信号は必要ない。このことは、ノードBが密集して展開されているシナリオにおいて、すなわち、図2の場合のように「余分な」(マイクロ)セルがマクロセルの下に設置されている場合に、特にそうである。そのようなシナリオでは、マイクロセルは、主として高負荷のシナリオに対処するのに用いられ、低負荷シナリオにおいてマイクロセルからこれらの信号を送信することに費やされるエネルギーは、本質的には無駄に費やされている。
セル内にアクティブ状態の端末がない場合、原則として、何も送信する必要はない。これによって、基地局は、電力増幅器だけでなくベースバンド処理も止めることができる。セルは本質的に、ダウンリンクでは「アイドル状態」となるだろう。ネットワークは、アクティブ状態の端末がどのセルに接続されているのかを知っているのだから、アイドル状態のセルを識別することができる。図1および2におけるT4のような端末が、アイドル状態のセルによってカバーされるエリアに進入した後、基地局が起動して、信号の送信を再開してもよい。しかし、セルが送信動作を再開すべきかどうかを判定するためには、端末がアイドル状態のセルに進入しつつあるかどうか検出することが必要である。そのような端末は、一定のダウンリンク信号(同期信号、基準信号、ブロードキャストチャネル)が存在することを期待する。そうでないと、端末はセルを見つけることができないであろう。同様に、図1および2の端末T1、T2のような非アクティブ状態の端末が、アクティブ状態になる場合、それらにも、セルを見つける際の支援が必要である。
従って、アイドル状態であるにもかかわらず、移動性探索およびセル探索に必要な信号は、間欠的に送信されるべきである。これは、基地局のためのDTX(Discontinuous Transmission)周期を定義することによって達成されうる。典型的には、DTX周期は、図3に例示するように基地局がT秒のうちT秒毎にアクティブ状態になるように定義される。その結果、送信器側におけるエネルギー削減は、ほぼT/Tに比例する。
の値は、端末が、十分高い確率で同期を見つけることができ、かつ、セル上で信号測定を行うことができるように、十分大きく選択されるべきである。これに要する時間は、端末における信号対雑音比に依存するが、Tが数百ミリ秒のオーダであれば、アイドル状態のセルを見つけられない確率は、十分低いと考えられる。
の値は、エネルギー消費を効率的に削減することが出来るように十分大きくするべきである。同時に、Tが大きすぎるということは、端末がアイドル状態のセルを見つけられないことがあることを意味する。Tの典型的な値は、数秒または数十秒のオーダでありうるだろう。
できれば、基地局のDTXパタンは、端末で構成されるDRXパタンと合致するように選択されることが望ましい。端末が、隣接セル測定を行うために或る種のパタンに従って起動する場合、基地局内のDTXパタンがこのパタンに合致すると有利である。
多くのセルラー標準では、同期信号は、連続的に送信されるわけではない。例えば、LTEでは、同期信号は、各無線フレームにおいてサブフレーム0および5(の一部)において送信される(これはFDDの場合であるが、TDDについては、使用されるサブフレームは異なるが、原理は同じである)。典型的には、同様の規則が、ブロードキャストされるシステム情報にも適用される(LTEでは、システム情報の最重要部分は、サブフレーム0および5で送信される)。従って、DTXパタンの活動期間でも、図3の最上部の拡大されたタイムセグメントTによって示すように、依然として基地局は、無線フレームの残余のサブフレームにおいてはスリープすることができる。
アイドル状態のセルは、端末、例えば図1または2のT1が、ランダムアクセスを試行していることを検知すると、DTX期間を終了させるであろう。加えて、ネットワークによってハンドオーバが制御されるのだから、端末にコマンドを送信することによって、ネットワークも、アイドル状態の基地局をハンドオーバ手順に関連して起動させることができる。例えば、(基地局BS1によって管理されている)セルRC2からセルRC1へのハンドオーバを行うため、端末、例えば図1または2のT4、に指令している(セルRC2を管理している)基地局BS2が、端末へのハンドオーバコマンドに加えて、基地局インタフェース、例えばLTEにおけるX2インタフェースで、基地局BS1に起動コマンドも送信するであろう。
図4は、本発明によるエネルギー消費を制御する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。連続送信(CTX)モードでは、ステップS1が、セルによってサービス提供されているアクティブ状態の端末の数を監視する。ステップS2は、セルによってサービス提供されているアクティブ状態の端末が所定の閾値THより少ないかどうかテストする。そうであれば、ステップS3が、前記セルによって依然としてサービス提供されているアクティブ状態の端末を、少なくとも1つの他のセル(アクティブ状態の端末の位置によっては、2つ以上のセルが必要なこともある)に引き渡す(ハンドオーバ)。アクティブ状態の端末が、他のセルにハンドオーバされた場合、ステップS4が、セルを管理している基地局に、不連続送信モード(DTX)に入るように命令し、ここでセル内のダウンリンクの送信は、セルによってサービスされていないアクティブ状態の端末がセルを見つけるのを支援するための情報の間欠送信に限定される。
閾値THは、例えば、セルが扱うことができる最大負荷の0%と5%との間を表す値に設定する。閾値THが0に設定される場合、セルによってサービスされているアクティブ状態の端末は残っていないのだから、ステップS3は省略されてもよい。
別の実施形態では、セルによってサービスされているアクティブ状態の端末が依然として存在する場合であっても、ステップS3は省略される。本実施形態では、セルがすでにDTXモードに入った後は、残りのアクティブ状態の端末は、他のセルへのハンドオーバを強制的に開始させられる。一部の端末が別のセルにハンドオーバされないかもしれないというリスクが、例えばこれらのセルにおける負荷が高いことに起因して、存在するため、閾値THは、本実施形態では接続が外れるというリスクを最小化するため、典型的には低めに設定される。ハンドオーバコマンドが送信されるとすぐに基地局がDTXモードに入る場合、これらの実施形態の組み合わせも可能である。
図5は、本発明によるエネルギー消費を制御する方法の一実施形態の詳細を例示するフローチャートである。ステップS10で、基地局がDTXモードに入る。これは図4のステップS4に対応する。ステップS11は、(このセルのための)基地局を次のDTX送信時間枠の開始時に起動させる。ステップS12で、基地局は、図3の上方の拡大部分の第1の棒に対応する、端末がセルを見つけるのを支援する情報を送信する。ステップS13は、端末から何らかのランダムアクセス試行があるかどうか検出する。そうであれば、ステップS14が、基地局にDTXモードを中止して、通常の連続モードに入るように命令する。そうでない場合、ステップS15は、隣接基地局から何らかのハンドオーバコマンドが受信されたかどうか検出する。そうであれば、ステップS14が、基地局にDTXモードを中止して、通常のCTXモードに入るように命令する。そうでない場合、基地局はDTXモードに留まり、ステップS16が、基地局が起動して以降、時間枠Tが経過したかどうかテストする。そうでない場合、手順はS12に戻って、図3の上部の次の棒に対応する、次の送信周期を開始する。そうでない場合、ステップS17の時間枠T乃至Tの間、基地局は(ダウンリンクで)アイドル状態になり、次いで、手順は、基地局を再度起動させるため、ステップS11に戻る。
上記のフローチャートの修正は、アクティブ状態の時間枠Tの間だけでなくいつでもセルがDTXモードを終了させられるようにすることを含む。これは、隣接セルからのハンドオーバコマンドまたはランダムアクセス試行のためのテストをステップS17にも含めることによって達成することができる。
基地局がDTXモードに入る場合、基地局は、その隣接セルにこの事実を通知してもよい。このようにして、隣接セルは、システム内のエネルギー消費を減らすためにアイドル状態のセルへのハンドオーバ要求を拒否することを決めることができる。そのような実施形態では、アイドル状態のセルへのハンドオーバ要求は、セルが輻輳しているかまたは接続を失う明白なリスクがある場合に限って受け入れられるであろう。
図6は、本発明による基地局のエネルギー消費を制御するための装置の一実施形態を例示するブロック図である。アンテナが送信器12および受信器10に接続されており、それらはベースバンド処理部14に接続されている。セルによってサービスされているアクティブ状態の端末のリストを受信するため、端末アクティビティモニタ16が、ベースバンド処理部14に接続されている。端末アクティビティモニタ16は、リストの長さを判断し、アクティブ状態の端末の数が閾値THより少ないかどうかテストする。端末アクティビティモニタ20が、セルによってサービスされているアクティブ状態の端末の数は閾値THを下回ることを検出した場合には、ハンドオーバコマンドがベースバンド処理部14に転送される。これは、アクティブ状態の端末のリストに載っている端末を、他のセルにハンドオーバするであろう。リストが空である場合、端末アクティビティモニタ16は、これをバイナリ端末アクティビティ指標の中で送信制御器18に示し、送信制御器18は電源20を送信器12から切断するスイッチSWを制御する。
また、図6の装置は、ランダムアクセスモニタ22を含み、ランダムアクセスモニタ22は、DTXモードの間にランダムアクセスを試行する端末からプリアンブルを受信する。ランダムアクセス試行指標は、送信制御器18に転送され、プリアンブルが検出された場合、送信制御器18は電源20を送信器12に再度接続する。
さらに、図6の装置は、ハンドオーバコマンドモニタを含み、ハンドオーバコマンドモニタは、他の基地局からハンドオーバコマンドを、例えばX2インタフェースで、DTXモードの間に受信する。ハンドオーバコマンド指標が送信制御器18に転送され、送信制御器18は、ハンドオーバ要求が検出された場合、電源20を送信器12に再度接続する。
また、図6に例示した実施形態は、任意で、ベースバンド処理をDTXとCTXモードとの間で切り替えるために、ベースバンド処理部14に戻ってDTX/CTX指標を含んでもよい。このようにして、DTXモードの間は、不要なベースバンド信号処理を避けることができる。
また、図4のステップS3に関して論じたように、図6の端末アクティビティモニタ16は、セルによってサービスされているアクティブ状態の端末の数が閾値を下回る場合、ダウンリンク送信を制限するように構成されてもよい。
図6の各種のブロックの機能性は、典型的には、1つまたは複数のマイクロプロセッサまたはマイクロ/信号プロセッサの組み合わせおよび対応するソフトウェアによって実装される。ブロック16、18、22、24は、すでにこのタイプのハードウェアを有するベースバンド処理部14に統合されてもよい。
上述のように、DTXモードにおいて、端末がセルを見つけるのを支援するためにアイドル状態の基地局が送信しうる3つのタイプの情報があり、すなわち、基準(パイロット)信号、同期信号、および、ブロードキャストされるシステム情報である。これらのうち少なくとも1つが、図3の時間枠Tの間に送信される必要がある。この情報の正しい受信を容易にするために、ネットワークおよび端末によって複数の手順が行われうる。
非アクティブ状態の端末は、周期的にページングチャネル(端末DRXモード)を聴取する。典型的には、端末は、ページングチャネルを聴取する直前かまたは直後に移動性測定を行う。図7で例示するように、基地局が間欠モードで送信する場合、この機能を用いて、アクティブ状態であってサービスしていない基地局(端末は活動していないので、いずれの基地局によってもサービスされておらず、ページングチャネルを聴取するだけである)に、端末のDRXモードを時間帯Tと同期させることができる。
アクティブ状態の端末は、いつでも移動性測定を行うことができるようになっており、DTXモードの基地局の時間枠Tの中にある時刻に測定を行うように、基地局によって命令されてもよい。この機能性は、既存の端末ではファームウェアアップデートによって得ることができる。
図8および図9は、本発明の本態様の一実施形態を例示する。図8では、ステップS20が、セルからの情報の間欠送信についてのタイムスケジュールを示す信号を受信する。ステップS21は、情報の間欠送信を移動性測定と同期させる。端末がアクティブ状態にある場合、端末は、移動性測定を間欠送信と同期させるように命令される。他方、端末が非アクティブ状態の場合、端末は、代わりに、間欠送信の送信時間枠の間は、ページングチャネルを聴取するように命令される。このようにして、移動性測定を、間接的に間欠送信に同期させる。
図9に例示する無線端末は、受信器30に接続されたアンテナを含み、受信器30は、ベースバンド信号をベースバンド処理部32に転送する。ベースバンド処理部32は、他の信号の中でも特に、アイドル状態の基地局のDTXスケジュールを抽出する。このスケジュールは、端末がアクティブ状態にある場合には直接的に実際のDTXスケジュールとして、あるいは、端末が非アクティブ状態の場合には間接的にページングスケジュールから、アクティブ状態の基地局から受信されたものである。DTXスケジュールは、同期装置34に転送され、同期装置34は、受信器30およびベースバンド処理部32の移動性測定スケジュールを制御する。必要に応じて、同期装置34は、ベースバンド処理部32に統合されてもよい。
ネットワークは、複数の基地局のDTXモードを同期させることができる。ローカルな(基地局から基地局への)同期も、中央での(Operations Support System、すなわちOSSを介した)同期も、いずれも可能である。
端末は、2ステップのセル探索手順を備えてもよい。第1のステップでは、端末は、複数の周波数にわたってスキャンすることによって、通常のセル探索を行う。これが失敗すると、端末は、各周波数についての探索時間が延長される延長セル探索を(すなわち、DTXモードでの基地局のアイドル状態の時間枠T−Tより長く)行う。この機能性は、既存の端末ではファームウェアアップデートによって得ることができる。
図10および図11は、本発明の本態様の一実施形態を図解する。図10では、ステップS30が、複数の周波数にわたって第1の通常のセル探索を行う。ステップS31は、セル探索が失敗したかどうか、すなわち、探索がいずれかのセルを見つけられなかったかどうかをテストする。そうであれば、各周波数についてセル探索時間が延長された第2のセル探索が、ステップS32で行われる。そうでない場合、セル探索はステップS33で完了する。
図11は、この2ステップのセル探索を組み込んだ無線端末のブロック図である。無線端末は、受信器30に接続されたアンテナを含み、受信器30はベースバンド信号をベースバンド処理部32に転送し、ベースバンド処理部32は、セル探索部36に接続されている。セル探索部36は、2つのセル探索モード、すなわち、通常セル探索モードと延長セル探索モードとを実装しており、図10に関して述べたセル探索手順を行うように構成される。セル探索部36は、発見セルのリストをベースバンド処理部32に出力する。必要に応じて、セル探索部36は、ベースバンド処理部32に組み込まれてもよい。
基準信号と同期信号とは、本来、別の目的で設計されているが、アイドルモードの動作の間は、大体同じ機能を有することがありうるだろう。アイドル状態のeノードBによってサービスされていないUEは、これらの信号を用いてセルを見つけ、信号強度を測定する。同期信号は、容易に検出されるように設計されているため、eノードBがアイドルモードの間にもこの目的でそれらを用いることは有利である。しかし、アイドル状態のeノードBから基準信号だけを送信することも可能であろうし、もう少し努力すれば、UEは最後にはそのような送信を見つけ、それについて測定するであろう。また、eノードBのアイドルモードの動作中に同期信号だけを送信することも可能であろう。その場合、UEは、同期チャネルの測定値に基づいて信号強度を推定する必要があるだろう。しかし、同期チャネルは、本来、この目的で設計されているのではないので、そのような測定値の精度は、若干下がるであろう。従って、好適な動作とは、eノードBのアイドル状態の動作中にも、基準信号だけでなく同期信号も送信することであろう。
ブロードキャストチャネルに関しては、たとえ同期信号および基準信号が送信されなかったとしても、UEが、そのような送信をアイドル状態のeノードBから検出する可能性は潜在的にあるだろうが、結果的に性能は低くなり、セル探索時間は長引くであろう。理論的には、UEがブロードキャストチャネルに関する測定値だけに基づいてアイドル状態のeノードBの信号強度を判断することは可能であろう。ブロードキャストチャネルは、UEがランダムアクセスを実行するために必要な情報を搬送するが、代わりに、アイドル状態のセルが入っているマクロセルからこの情報をUEに受信させることも可能である。好適実施形態では、3つのタイプの(すなわち、同期、基準、ブロードキャスト)信号がすべて、アイドルモードのeノードBから送信されるが、理論的には、信号のうちの1つだけが送信されれば十分である。
当業者であれば理解するであろうが、本発明には、その範囲から逸脱することなく各種の修正や変更が行われる可能性があり、本発明は、添付の請求項によって定義される。
略語集
BS 基地局(Base Station)
DRX 不連続受信(Discontinuous Reception)
DTX 不連続送信(Discontinuous Transmission)
eNodeB eノードB(evolved NodeB)
HSPA 高速パケットアクセス(High−Speed Packet Access)
LTE ロング・ターム・エボリューション(Long−Term Evolution)
NodeB ノードB(複数のセルの送信/受信を扱う論理ノード)
OSS オペレーションズ・サポート・システム(Operations Support System)
RSRP 基準信号受信電力(Reference Signal Received Power)
UE ユーザ装置(User Equipment)

Claims (2)

  1. 無線端末を操作する方法であって、
    複数の周波数にわたって第1のセルの探索を行うステップ(S30)と、
    前記第1のセルの探索が失敗した場合、各周波数について前記探索の時間が延長された第2のセルの探索を行うステップ(S32)と
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 無線端末であって、複数の周波数にわたって第1のセルの探索を行う第1のモードと、各周波数について前記探索の時間が延長された第2のセルの探索を行う第2のモードとで動作するように構成されたセル探索部(36)を含み、前記セル探索部(36)が、前記第1のセルの探索が失敗した場合に前記第2のセルの探索を行うように構成されることを特徴とする無線端末。
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