JP6230632B2 - 無線通信システム、基地局装置及び通信端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、基地局装置及び通信端末装置に関するものである。

従来、多数のアンテナ素子を備えた基地局と通信端末装置（ユーザ装置）との間でＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）を適用し、広帯域・高周波の下りリンクの無線通信において高い利得（電力密度）が得られるビームフォーミングを実現可能な無線通信システムが知られている。

例えば、特許文献１には、複数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングによりセルサーチに用いられる同期信号用の送信ビームの送信方向を制御する基地局装置を備えた無線通信システムが開示されている。この基地局装置は、同期信号用の送信ビームを識別可能な情報を含む同期信号を生成すると共に、同期信号に対するビームフォーミング用ウェイトを所定の時間間隔で変更する。そして、それぞれのビームフォーミング用ウェイトに応じて生成された同期信号を下りリンクで送信する。この特許文献１の基地局装置によれば、移動局装置ＵＥ側で適切にセルサーチ処理を行うことができるとされている。

しかしながら、特許文献１の無線通信システムでは、同期信号に基づくセルサーチ処理ができたとしても、下りリンクにおいてＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯによる狭指向性ビームを用いたユーザ毎の個別制御情報やユーザ毎のデータの伝送を確実に開始できないおそれがある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る無線通信システムは、多数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な通信端末装置とを備え、前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより前記基地局装置から前記通信端末装置に送信可能である。前記基地局装置は、予め設定された複数のビームを切り替えながら、所定の無線通信フレームに同期信号と基本報知情報とビーム検出用信号と拡張報知情報とを配置して送信する手段を備える。前記通信端末装置は、前記無線通信フレームに含まれる前記同期信号を受信して下りリンクの同期処理を行う手段と、前記下りリンクの同期処理が完了した後、前記無線通信フレームに含まれる前記基本報知情報を受信する手段と、前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれる前記ビーム検出用信号を受信し、検出対象のビームの候補を決定する手段と、前記ビームの候補に対応する拡張報知情報を受信する手段と、前記拡張報知情報に基づいて、前記基地局装置との無線通信に用いるビームを決定する手段と、を備える。
前記無線通信システムにおいて、前記複数のビームはそれぞれ、前記基地局装置のアンテナを中心として２次元的又は３次元的に互いに異なるビーム指向性を有してもよい。
また、前記無線通信システムにおいて、前記複数のビームそれぞれに対応するビーム検出用信号は、同一送信タイミングにおける互いに異なるサブキャリアで送信されてよい。
また、前記無線通信システムにおいて、前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていてもよい。
また、前記無線通信システムにおいて、前記基地局装置は、前記拡張報知情報を所定の巡回冗長検査（ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Checking）符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とを施して送信し、前記通信端末装置は、前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、複数のビームの候補を決定し、前記複数のビームの候補からいずれか１つのビームを選択し、その選択したビームに対応する拡張報知情報を受信し、前記拡張報知情報の受信処理により、前記選択したビームが正しくないと判断された場合、他のビームの候補に対応する拡張報知情報を受信し、前記複数のビームの候補のすべてについてビームが正しくないと判断された場合は、前記同期信号の受信から前記ビームの決定までをやり直してもよい。
また、前記無線通信システムにおいて、前記基地局装置は、前記複数のビーム検出用信号を、時分割及び周波数分割の少なくとも１つによる多重化を行って送信してもよい。
また、無線通信システムにおいて、前記通信端末装置は、前記下りリンクの初期接続処理が完了した後、前記複数のビームのうち下りリンクにおいて最も受信電力が高いビームを特定し、その特定したビームに対応する受信ビームを用いる無線リソースで前記基地局装置に対する上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を送信する手段を備え、前記基地局装置は、予め設定された複数の受信ビームを切り替えながら、前記上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を受信してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様に係る基地局装置は、多数のアンテナ素子を備え、前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより通信端末装置に送信可能である。本態様に係る基地局装置は、予め設定された複数のビームを切り替えながら、所定の無線通信フレームに同期信号と基本報知情報とビーム検出用信号と拡張報知情報とを配置して送信する手段を備える。前記基本報知情報は、前記拡張報知情報の受信に必要な基地局設定情報と、前記ビーム検出用信号の設定情報と、前記無線通信フレームに対応するフレーム番号とを含む。
前記基地局装置において、前記複数のビームはそれぞれ、前記基地局装置のアンテナを中心として２次元的又は３次元的に互いに異なるビーム指向性を有してもよい。
また、前記基地局装置において、前記複数のビームそれぞれに対応するビーム検出用信号は、同一送信タイミングにおける互いに異なるサブキャリアで送信されてもよい。
また、前記基地局装置において、前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていてもよい。
また、前記基地局装置において、前記拡張報知情報を所定のＣＲＣ符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とを施して送信してもよい。
また、前記基地局装置において、前記複数のビーム検出用信号を、時分割及び周波数分割の少なくとも１つによる多重化を行って送信してもよい。
また、前記基地局装置において、前記基地局装置は、予め設定された複数の受信ビームを切り替えながら、上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を通信端末装置から受信してもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の更に他の態様に係る通信端末装置は、多数のアンテナ素子を備えた基地局装置から前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより送信される信号を受信可能である。本態様に係る通信端末装置は、前記基地局装置から予め設定された複数のビームを切り替えながら送信される所定の無線通信フレームに含まれる同期信号を受信して下りリンクの同期処理を行う手段と、前記下りリンクの同期処理が完了した後、前記無線通信フレームに含まれる基本報知情報を受信する手段と、前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、検出対象のビームの候補を決定する手段と、前記ビームの候補に対応する拡張報知情報を受信する手段と、前記拡張報知情報に基づいて、前記基地局装置との無線通信に用いるビームを決定する手段と、を備える。
前記通信端末装置において、前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていてもよい。
また、前記通信端末装置において、前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、複数のビームの候補を決定し、前記複数のビームの候補からいずれか１つのビームを選択し、その選択したビームに対応する拡張報知情報を受信し、前記拡張報知情報の受信処理により、前記選択したビームが正しくないと判断された場合、他のビームの候補に対応する拡張報知情報を受信し、前記複数のビームの候補のすべてについてビームが正しくないと判断された場合は、前記同期信号の受信から前記ビームの決定までをやり直してもよい。
また、前記通信端末装置において、前記下りリンクの初期接続処理が完了した後、前記複数のビームのうち下りリンクにおいて最も受信電力が高いビームを特定し、その特定したビームを用いた無線リソースで前記基地局装置に対する上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を送信する手段を備えてもよい。

本発明によれば、セルサーチ処理後の下りリンクにおいてＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯによる狭指向性ビームを用いたユーザ毎の個別制御情報やユーザ毎のデータの伝送を確実に開始できる。

本発明の実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムの概要を説明するための図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式で解決可能な課題の説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ参考例に係る伝送方式を用いた無線通信システムの概要を説明するための図。 ３次元ビームフォーミングの説明図。 本実施形態に係る基地局装置から複数のビームを時間的に切り替えながら送信される送信信号の無線通信フレームのフォーマットの一例を示す説明図。 本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式でビームフォーミングを行うＭＭ基地局の基地局装置の一構成例を示すブロック図。 本実施形態に係る移動局装置の一構成例を示すブロック図。 図７の移動局装置において基地局装置との間の初期接続処理に係る受信信号生成部、同期信号処理部及び各種信号・情報検出処理部それぞれのより詳細な構成の一例を示す機能ブロック図。 本実施形態に係る移動局装置の下りリンクにおける初期接続処理の一例を示すフローチャート。 本実施形態に係る移動局装置の下りリンクにおける初期接続処理の一例を示すシーケンス図。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る基地局装置からビーム検出用信号を送信する送信方法の一例を示す説明図。 本実施形態に係る基地局装置からビーム検出用信号を送信する送信方法の他の例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る基地局装置からビーム検出用信号を送信する送信方法の更に他の例を示す説明図。 本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムにおける上りリンクの初期接続処理の一例を説明するための図。 本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムにおける上りリンクの初期接続処理の一例を示すシーケンス図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムの概要を説明するための図である。本実施形態におけるＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式は、基地局装置１０に設けられた多数の（例えば１００個以上の）アンテナ素子１１ａからなるアンテナ装置１１を用いたビームフォーミングにより通信端末装置としての移動局装置（「ユーザ装置：ＵＥ」又は「移動機」ともいう。）２０との間で送受信可能な伝送方式である。ここで、ビームフォーミングとは、複数のアンテナ素子それぞれにおける送受信号に対して振幅及び位相を制御することにより、送受信ビームの指向性及び形状を変更できる技術である。例えば図１に示すように、本実施形態の基地局装置１０は、互いに異なる向きに鋭い指向性のビーム形状を有する複数のビーム３０（１），３０（２），・・・，３０（ｎ），・・・を切り替えながら互いに異なるタイミングｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_ｎ，・・・で信号を送受信する。より具体的には、例えば、基地局装置１０の水平方向において各ビームが所定のビーム角度幅θ_Ｂを有しているとすると、図１のタイミングｔ_１にセル内のある方向に向いた鋭い指向性のビーム３０（１）で信号を送信した後、次のタイミングｔ_２にセル周方向（方位角方向）にビーム角度幅θ_Ｂだけ送信方向をずらして鋭い指向性のビーム３０（２）で信号を送信する。同様に、所定の時間間隔τ（＝ｔ_２−ｔ_１）毎に、セル周方向（方位角方向）にビーム角度幅θ_Ｂだけ送信方向をずらして鋭い指向性のビーム３０（３）〜３０（ｎ）で順次信号を送信する。これにより、基地局装置１０のアンテナ装置１１を中心としたセルの所定の方位角度範囲又は全方位角度範囲についてビームを走査して移動局装置２０と通信することができる。ここでは各ビームを時間的に切り替えながら送受信するイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替えながら送信する代わりに、周波数（サブキャリア周波数でもよい）あるいは拡散符号を切り替えながら送信してもよいし、これらの時間・周波数・拡散符号のうち二種類の組み合わせあるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら送信してもよい。

上記Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式でのビームフォーミングにより、以下に示すような超広帯域・高周波数帯を用いる無線通信システムにおける移動局装置２０での受信電力及びカバレッジの低下等の課題を解決することができる。

図２（ａ）及び（ｂ）はＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式で解決可能な課題の説明図であり、図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ参考例に係る伝送方式を用いた無線通信システムの概要を説明するための図である。現在開発及び標準化が進められている超広帯域・高周波帯を用いる次世代（例えば３ＧＰＰで検討されている第５世代）の無線通信システムでは次のような課題がある。
例えば、基地局装置の送信電力が一定以下に制限された条件の下では、単位帯域幅あたりの送信電力である送信電力密度が低下する。そのため、図２（ａ）に示すように次世代（第５世代）の無線通信システムでは、従来の無線通信システムにおける帯域幅９００よりも広い帯域幅９１０を有するため、同一送信電力制限下での送信電力密度９１１が従来の無線通信システムにおける送信電力密度９０１よりも低下し、その結果、移動局装置での単位帯域幅あたりの希望信号の受信電力が低下してしまう。
また、伝送周波数帯が高くなるほど自由空間（伝送空間）での伝搬損失が増大する。そのため、図２（ｂ）に示すように次世代（第５世代）の無線通信システムで採用される高周波帯では、自由空間（伝送空間）での伝搬損失だけで周波数の二乗に比例して移動局装置２０での希望信号の受信電力が低下してしまう。

図３（ａ）に示す単一のアンテナ素子９２１を用いる参考例の基地局装置９２０では、アンテナ素子９２１の指向性が悪くビームの到達距離が短いため、上記超広帯域・高周波帯を用いる無線通信システムでの課題を解決することができない。また、ビームが到達する移動局装置２０と通信可能なエリアのカバレッジも悪い。

また、図３（ｂ）に示す複数のアンテナ素子９３１それぞれの送受信信号が同じ位相であり、前述のビームフォーミングを行わない参考例の基地局装置９３０では、アンテナ素子の数が増えるほどアンテナの利得が上昇するが、アンテナ素子全体による指向性が単一の方向に鋭くなる。この単一方向のビームから外れた方向では、上記超広帯域・高周波帯を用いる無線通信システムでの課題を解決することができず、また、移動局装置２０と通信可能なエリアのカバレッジも悪い。

これに対し、図１の本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式では、移動局装置の２０の位置に応じて、アンテナ装置１１に設けられた複数のアンテナ素子１１ａそれぞれの送信信号に対して振幅及び位相を制御するビームフォーミングを行うことができる。このビームフォーミング制御により、互いに異なる向きに鋭い指向性のビーム形状を有するように予め設定された複数のビーム３０を切り替えながら信号を送信することができる。従って、超広帯域・高周波帯を用いる場合でも、移動局装置２０での単位帯域幅あたりの希望信号の受信電力の低下を防止できるとともに、アンテナ素子１１ａの１個当たりの送信電力を一定にしつつ移動局装置２０それぞれに対する単位帯域幅あたりの送信電力密度を高めることができ、また、移動局装置２０と通信可能なエリアのカバレッジを改善することができる。ここでは各ビームを時間的に切り替えながら送信するイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替えながら送信する代わりに、周波数（サブキャリア周波数でもよい）あるいは拡散符号を切り替えながら送信することも可能である。したがって、これらの時間・周波数・拡散符号のうち二種類の組み合わせあるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら送信してもよい。

なお、上記Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式で用いるビームフォーミングは、特定の種類のものに限定されるものではなく、２次元ビームフォーミングや３次元ビームフォーミングなどの様々な種類のビームフォーミングであってもよい。例えば、水平方向の２次元ビームフォーミングでは、水平方向に複数のアンテナ素子（アンテナブランチ）を並べて配置したアンテナ装置を用い、各アンテナ素子に対する振幅及び位相を制御する。これにより、水平面に対する傾き角度（０度を含む）が一定であってアンテナ装置を中心とした送受信方向の指向性が互いに異なる複数のビームを切り換えることができる。また例えば、垂直方向の２次元ビームフォーミングでは、水平面に垂直な鉛直方向に複数のアンテナ素子（アンテナブランチ）を並べて配置したアンテナ装置を用い、各アンテナ素子に対する振幅及び位相を制御する。これにより、アンテナ装置を中心とした鉛直面（垂直面）における送受信方向の指向性が互いに異なる複数のビームを切り換えることができる。ここでは各ビームを時間的に切り替えるイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替える代わりに、周波数（サブキャリア周波数でもよい）あるいは拡散符号を切り替えてもよいし、これらの時間・周波数・拡散符号のうち二種類の組み合わせあるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら送信してもよい。

また、図４に例示する３次元ビームフォーミングでは、水平方向及び垂直方向に複数のアンテナ素子（アンテナブランチ）１１ａを並べて配置したアンテナ装置１１を用い、各アンテナ素子１１１に対する振幅及び位相を制御する。これにより、アンテナ装置１１を中心とした送受信方向の指向性が水平方向及び垂直方向の３次元的に互いに異なる複数のビームを切り換えることができる。複数のビームの切り替えは時間的に切り替えてもよいし、周波数（サブキャリア周波数でもよい）あるいは拡散符号を切り替えてもよいし、これらの時間・周波数・拡散符号のうち二種類の組み合わせあるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えてもよい。特に、３次元ビームフォーミングでは、アンテナ装置１１を中心としたセル（無線通信エリア）３１内の互いに異なる任意の位置に複数の移動局装置が位置している場合に、その複数の移動局装置２０それぞれに時分割・周波数分割・符号分割のいずれか一つ、あるいはこれらの二つの組み合わせ、あるいはこれらの全ての組み合わせでビームの指向性が向くように制御することができる。

以下、説明の簡素化のため、主に水平方向の２次元ビームフォーミングの場合について説明する。

上記Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式でビームフォーミングを行う基地局（以下「ＭＭ基地局」ともいう。）では、送信対象となる移動局装置の位置（方向、距離）を把握した上、その位置に向かう指向性を有するビームがビームフォーミングにより形成される。そして、ＬＴＥ（Long Term Evolution）やＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄと同様に、移動局装置は、ＭＭ基地局に対して同期信号に基づくセルサーチ処理を行う。セルサーチ処理では移動局装置において基地局との周波数同期や下りリンクのタイミング同期が行われた後、セルのＩＤが検出される。しかしながら、同期信号に基づくセルサーチ処理ができたとしても、ＭＭ基地局に対する初期接続前の段階においてＭＭ基地局は移動局装置との通信を開始していないため、ビームフォーミングの制御に必要な当該移動局装置の方向に関する情報が得られていない。すなわち、ＭＭ基地局は、移動局装置からの初期接続処理が完了する前の段階では、どの方向にビームの指向性を向ければよいかを判断するための判断基準が与えられていない状態にある。そのため、ＭＭ基地局から移動局装置への下りリンクにおいてＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式による狭指向性ビームを用いたユーザ毎の個別制御情報やユーザ毎のデータの伝送を確実に開始できないおそれがある。

そこで、本実施形態の無線通信システムにおいて、基地局装置は、予め設定された互いに異なる向きの複数のビームを切り替えながら、所定フォーマットの無線通信フレームに第１同期信号（ＰＳＳ）と第２同期信号（ＳＳＳ）とＭＩＢ（Master Information Block）等の基本報知情報とビーム検出用信号とＳＩＢ（System Information Block）等の拡張報知情報とを配置して送信する。各ビームを時間的・周波数（またはサブキャリア周波数）・拡散符号のいずれか一つを切り替えながら送信してもよいし、これらの二つの組み合わせあるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら送信してもよい。移動局装置は、下りリンクの初期接続を行うため、無線通信フレームに含まれる同期信号を受信して下りリンクの同期処理が完了した後、基地局装置から受信した無線通信フレームに含まれる基本報知情報に基づいてビーム検出用信号を受信して検出対象のビームの候補を決定する。そして、そのビームの候補について受信した拡張報知情報に基づいて、基地局装置との無線通信に用いるビームを決定している。これにより、移動局装置から基地局装置への上りリンクの初期接続処理前に、基地局装置側でのチャンネル情報を用いずに各移動局装置は最適なビームの情報を取得することができる。後述する上りリンクの初期接続処理中あるいは初期接続処理後、各移動局装置が最適なビームの情報を基地局側にそれぞれフィードバックすることにより、下りリンクにおいてＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式による狭指向性ビームを用いたユーザ毎の個別制御情報やユーザ毎のデータの伝送を確実に開始することができる。

図５は、本実施形態に係る基地局装置から複数のビームを時間的に切り替えながら送信される送信信号の無線通信フレームのフォーマットの一例を示す説明図である。

なお、図５の例は、ビーム検出用信号及び拡張報知チャネルを時分割で他の信号やチャネルと多重化する場合の例であるが、ビーム検出用信号及び拡張報知チャネルは周波数分割多重、符号分割多重などの他の多重方法で送信してもよいし、ビーム検出信号及び拡張報知チャネルは時分割・周波数分割（またはサブキャリア周波数分割）・符号分割多重のうち、の二つの組み合わせた多重方法あるいはこれらの全ての組み合わせ多重方法で送信してもよい。また、無線通信フレームを具体的に構成するにあたり、初期接続に必要な各信号の配置は図５の例に限定されるものではないため、それらの送信間隔（周波数方向，時間方向）、送信帯域幅等もこれらも図５の例に制約されない。

図５において、本例の無線通信フレームの基本構成は、基本的にはＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格（例えば、３ＧＰＰ ＴＳ３６．２１１ Ｖ１１．１．０参照）をベースに改変を加えたものである。図５の上段から順に、スーパーフレーム、そのスーパーフレームを構成する無線フレーム、及び、各無線スロットの先頭部分の２種類の時間スロットを示している。スーパーフレームは、複数の所定フレーム長（例えば１０ｍｓ）の無線フレームで構成されている。無線フレームは、複数の所定サブフレーム長（例えば１ｍｓ）のサブフレームで構成され、各サブフレームは２つの所定長（例えば０．５ｍｓ）の時間スロットで構成されている。無線フレームの先頭部分に位置する時間スロットとしては、Ｎｏｒｍａｌ ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）仕様を選択した場合の時間スロットと、Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）仕様を選択した場合の時間スロットとが規定されている。同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）は、２種類のＣＰ仕様の時間スロットいずれにおいても、第１及び第６のサブフレームの第１の時間スロットにおけるシステム帯域内の中心の所定帯域Δｆｓｓ（図示の例では９４５［ｋＨｚ］）にマッピングされる。

プライマリ同期信号（ＰＳＳ）は、ＯＦＤＭシンボルタイミング検出、セルローカルＩＤ検出、周波数オフセット推定などに使用される。また、プライマリ同期信号（ＰＳＳ）では、送信信号系列として３種類のＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列がセル間で繰り返し使用され、セルローカルＩＤを識別できるようになっている。

セカンダリ同期信号（ＳＳＳ）は、上記２種類のＣＰ仕様のいずれにおいてもＣＰ長にかかわらず時間スロット中の同じ位置に設定され、１０ｍｓフレームタイミング検出、セルグループＩＤ検出、Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ （ＣＰ）長検出などに使用される。また、セカンダリ同期信号（ＳＳＳ）では、プライマリ同期信号（ＰＳＳ）は、送信信号系列として５０４種類の擬似直交系列（２種類の長さ３１のＭ系例を組み合わせ）がセル毎に変えて使用される。

基本報知チャネル（Ｐ−ＢＣＨ：Primary - Broadcast Channel）は、各無線フレームの第１サブフレームの第２の時間スロットにマッピングされる。このＰ−ＢＣＨには、移動局装置２０がセルサーチ後に最初に読むべき最低限の情報のみが含まれる。これらの情報はＭＩＢ（Master information Block）と呼ばれ、システム帯域幅やシステムフレーム番号（ＳＦＮ：System Frame Number）等の基本情報が含まれる。また、ＭＩＢには、拡張物理報知情報の受信に必要な基地局設定情報、スーパーフレーム長又はそれに準ずる情報、スーパーフレーム内のフレーム番号（無線フレームの番号）も含まれる。ビーム検出用信号のパラメータがある場合には、そのビーム検出用信号の設定情報が上記基地局設定情報に含まれる。その他のシステム情報であるＳＩＢ（System Information Block）に関しては、後述する拡張報知チャネル（Ｅ−ＢＣＨ：Extended - Broadcast Channel）で送信される。

移動局装置２０は、Ｐ−ＢＣＨを復号することにより、当該セルの基地局のシステムフレーム番号（System Frame Number）、送信アンテナ数、システム帯域幅などの基本情報や、基地局設定情報、スーパーフレーム長又はそれに準ずる情報、スーパーフレーム内のフレーム番号等を取得することができる。また、Ｐ−ＢＣＨは、同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）と同様にシステム帯域幅の事前情報なしで復号できる必要があるため、帯域の中心において最小帯域幅内で送信される。

ビーム検出用信号は、ビームを識別するためのビーム識別情報（ビームＩＤ）を検出するための信号であり、各無線フレームの第１及び第６サブフレームそれぞれの第２の時間スロットにマッピングされる。ビーム識別情報（ビームＩＤ）は、例えば、Ｎ個のビームを互いに識別するように振られた連続番号（１，２，３，・・・，Ｎ）であってもよい。このビーム検出用信号は、Ｐ−ＢＣＨのＭＩＢで得られたシステム帯域幅の情報に基づいて復号できるためシステム帯域幅全体で送信することが可能であるが、帯域の一部あるいはシステムの最小帯域幅で送信してもよい。

拡張報知チャネル（Ｅ−ＢＣＨ）は、各無線フレームの第６サブフレームの第２の時間スロットにマッピングされる。このＥ−ＢＣＨは、移動局装置２０がビーム検出用信号に基づいてビームの識別情報（ビームＩＤ）を検出した後に受信して読み込むＳＩＢ等の拡張報知情報が含まれている。このＳＩＢ等の拡張報知情報は、所定の巡回冗長検査（ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Checking）符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とが施されている。移動局装置２０は、このＣＲＣ符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とが施された拡張報知情報の受信処理により、検出したビームが正しいか否かを判断する。なお、Ｅ−ＢＣＨは、Ｐ−ＢＣＨのＭＩＢで得られたシステム帯域幅の情報に基づいて復号できるためシステム帯域幅全体で送信することが可能であるが、帯域の一部あるいはシステムの最小帯域幅で送信してもよい。

なお、ビーム検出用信号及びＥ−ＢＣＨ（拡張報知情報）はともに、無線フレーム内で各ビーム毎に１回ずつ送信してもよいし複数回送信してもよい。また、互いに異なるビームを用いて送信されるビーム検出用信号及びＥ−ＢＣＨの拡張報知情報はともに、連続したシンボルに配置してもよいし、時間軸上に分散させて送信してもよい。

図６は、本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式でビームフォーミングを行うＭＭ基地局の基地局装置１０の一構成例を示すブロック図である。図６の基地局装置１０の構成は、移動局装置２０との間の初期接続処理時の機能を説明するためのものであり、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ又は他の世代の移動体通信システムにおける通常の基地局装置が有する構成は備えているものとする。

図６に示すように、ＭＭ基地局の基地局装置１０は、各種信号・情報生成部１２と、送信信号生成部１３と、送信部１４と、受信部１５と、受信信号生成部１６と、ランダムアクセスプリアンブル信号検出部１７と、記憶部１８とを備える。

各種信号・情報生成部１２は、記憶部１８に記憶されている情報やデータに基づいて各種信号や情報を生成するものであり、同期信号生成部１２１と基本報知情報生成部１２２とビーム検出用信号生成部１２３と拡張報知情報生成部１２４と個別制御情報生成部１２５とを有する。同期信号生成部１２１は共通信号である同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）を生成し、基本報知情報生成部１２２は、ＣＲＣ符号化処理やセル毎に固有の処理が施されＰ−ＢＣＨで送信されるＭＩＢ等の基本報知信号を生成する。ここで、セル毎に固有の処理としては、セル毎に（セルＩＤ毎に）固有のスクランブリング処理が挙げられる。また、ビーム検出用信号生成部１２３は移動局装置２０でのビームの検出に用いられるビーム識別情報（例えばビームＩＤ）を含むビーム検出用信号を生成する。また、拡張報知情報生成部１２４は、ＣＲＣ符号化処理やビーム毎に固有の処理が施されＥ−ＢＣＨで送信されるＳＩＢ等の拡張報知情報を生成する。ここで、ビーム毎に固有の処理としては、ビーム毎に固有のスクランブリング処理が挙げられる。また、個別制御情報生成部１２５は、上りリンクの同期が確立された後に送信される移動局装置２０のユーザ毎に固有の個別制御情報を生成する。

送信信号生成部１３は、前述のスーパーフレーム中の無線フレーム毎に、同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）、ＭＩＢ等の基本報知信号、ビーム検出用信号及びＳＩＢ等の拡張報知情報を無線フレームにおける所定位置のサブフレームに配置したベースバンド信号から上位レイヤのデータや制御情報に基づいて所定のビームフォーミングがなされた所定のキャリア周波数からなる送信信号を生成して送信部１４に出力する。

送信部１４は、下りリンクの同期信号などを有する所定のスーパーフレームからなる送信信号を、前述の多数のアンテナ素子１１ａを有するアンテナ装置１１を介して、複数のビーム３０を切り替えながら送信する。ここでは複数のビームを時間的に切り替えながら送信するイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替えながら送信する代わりに、周波数（またはサブキャリア周波数）あるいは拡散符号のいずれかを切り替えながら送信してもよいし、時間・周波数・拡散符号のうち二つの組み合わせ、あるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら送信してもよい。送信部１４は、例えばＲＦ信号送信部１４１と送信制御部１４２とを有する。ＲＦ信号送信部１４１は、送信制御部１４２によって各ビームの送信タイミング、位相及び振幅などが制御される制御の下、送信信号生成部１３から受けた送信信号を所定のキャリア周波数からなる高周波の無線信号にしてアンテナ装置１１の各アンテナ素子１１ａに出力する。送信制御部１４２は、予め設定されたＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式におけるビームフォーミングの送信制御情報に基づいて、ＲＦ信号送信部１４１における各アンテナ素子の送信信号の位相及び振幅などの送信処理を制御する。

受信部１５は、移動局装置２０からの上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号やデータ信号などの受信信号を、前述の多数のアンテナ素子１１ａを有するアンテナ装置１１を介して複数のビーム３０を切り替えながら受信する。ここでは複数のビームを時間的に切り替えながら受信するイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替えながら受信する代わりに、周波数（またはサブキャリア周波数）あるいは拡散符号のいずれかを切り替えながら受信してもよいし、時間・周波数・拡散符号のうち二つの組み合わせ、あるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら受信してもよい。受信部１５は、例えばＲＦ信号受信部１５１と受信制御部１５２とを有する。ＲＦ信号受信部１５１は、受信制御部１５２で各ビームの受信タイミング、位相及び振幅などが制御される制御の下、所定のキャリア周波数からなる高周波のランダムアクセスプリアンブル信号やデータ信号などの受信信号を、アンテナ装置１１の各アンテナ素子１１ａを介して受信する。受信制御部１５２は、予め設定されたＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式におけるビームフォーミングの設定情報に基づいて、ＲＦ信号受信部１５１における各アンテナ素子の受信信号位相及び振幅などの受信処理を制御する。

受信信号生成部１６は、受信部１５から受けた高周波の受信信号から、前述の所定構成のスーパーフレームのベースバンド信号からなる受信信号を生成して出力する。ランダムアクセスプリアンブル信号検出部１７は、受信信号生成部１６から出力された受信信号から、上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を検出する。

記憶部１８は、各種信号・情報生成部１２での信号及び情報の生成に用いられる各種情報及びデータ、ランダムアクセスプリアンブル信号などの受信信号の情報、送信制御部１４２及び受信制御部１５２で用いられる制御情報、並びに、その他の各種設定情報や受信情報及び受信データなどを記憶している。

図７は、本実施形態に係る移動局装置２０の一構成例を示すブロック図である。図７の移動局装置２０の構成は、ＭＭ基地局の基地局装置１０との間の初期接続処理時の機能を説明するためのものであり、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ又は他の世代の移動体通信システムにおける通常の移動局装置が有する構成は備えているものとする。

図７に示すように、移動局装置２０は、アンテナのほか、受信部２２と、受信信号生成部２３と、同期信号処理部２４と、各種信号・情報検出処理部２５と、ランダムアクセスプリアンブル信号生成部２６と、送信信号生成部２７と、送信部２８と、記憶部２９とを備える。

受信部２２は、基地局装置１０からの下りリンクの同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）、ＭＩＢ等の基本報知信号、ビーム検出用信号及びＳＩＢ等の拡張報知情報を有する受信信号をアンテナ装置を介して受信する。受信部２２は、例えばＲＦ信号受信部２２１と受信制御部２２２とを有する。ＲＦ信号受信部２２１は、受信制御部２２２の制御の下、所定のキャリア周波数からなる高周波の受信信号をアンテナ装置を介して受信する。受信制御部２２２は、所定の受信設定情報に基づいて、ＲＦ信号受信部２２１における受信信号の受信処理を制御する。

受信信号生成部２３は、受信部１５から受けた高周波の受信信号を同期信号処理部２４に出力したり、受信部１５受けた高周波の受信信号から各種情報やデータを含む前述の所定構成のスーパーフレームのベースバンド信号からなる受信信号を生成して出力する。

同期信号処理部２４は、受信信号生成部２３で抽出された下りリンクの同期信号（ＰＳＳ，ＳＳＳ）に基づいて基地局装置１０との間の同期処理を行う。

各種信号・情報検出処理部２５は、受信信号生成部２３から出力される受信信号から、基地局装置１０から送信されたＭＩＢ等の基本報知信号、ビーム検出用信号及びＳＩＢ等の拡張報知情報を検出する。

ランダムアクセスプリアンブル信号生成部２６は、基本報知信号、ビーム検出用信号及び拡張報知情報の受信及びベリフィケーション処理が完了した後、検出された所定のビームによって基地局装置１０に送信される上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号及びランダムアクセス応答受信確認信号を生成する。

送信信号生成部２７は、所定の無線フレームにランダムアクセスプリアンブル信号（又はランダムアクセス応答受信確認信号）に配置したベースバンド信号から上位レイヤのデータや制御情報に基づいて所定のキャリア周波数からなる送信信号を生成して送信部２８に出力する。

送信部２８は、上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号（又はランダムアクセス応答受信確認信号）などを有する所定の無線フレームからなる送信信号を、アンテナを介して送信する。送信部２８は、例えばＲＦ信号送信部２８１と送信制御部２８２とを有する。ＲＦ信号送信部２８１は、送信制御部２８２の制御の下、送信信号生成部２７から受けた送信信号を所定のキャリア周波数からなる高周波の無線信号にしてアンテナに出力する。送信制御部２８２は、予め設定された送信制御情報に基づいて、ＲＦ信号送信部２８１における送信信号の送信処理を制御する。

記憶部２９は、同期信号処理部２４での同期処理、各種信号・情報検出処理部２５での信号及び情報の検出に用いられる各種情報及びデータ、ランダムアクセスプリアンブル信号生成部での信号生成で用いられる情報、受信制御部２２２及び送信制御部２８２で用いられる制御情報、並びに、その他の各種設定情報や送信情報及び送信データなどを記憶している。

図８は、図７の移動局装置２０において基地局装置１０との間の初期接続処理に係る受信信号生成部２３、同期信号処理部２４及び各種信号・情報検出処理部２５それぞれのより詳細な構成の一例を示す機能ブロック図である。
受信信号生成部２３は、例えば、低域通過フィルタ部（ＬＰＦ）２３１と、アナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３２と、周波数オフセット補償部２３３と、ＣＰ（除去部）２３４と、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）２３５とを備える。アンテナ２１を介して受信部２２１で受信されて受信信号生成部２３に入力された受信信号は、ＬＰＦ２３１で帯域が制限された後、Ａ／Ｄ２３２でデジタル信号に変換される。デジタルの受信信号は、周波数オフセット補償部２３３で基地局装置との間の周波数オフセットが補償された後、ＯＦＤＭ伝送の場合にＣＰ（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ）が除去され、ＦＦＴ２３５で周波数領域の受信信号に変換される。

同期信号処理部２４は、時間領域で第１同期信号（ＰＳＳ）を処理するための、第１同期信号レプリカ生成部２４１と信号変換部２４２と波形相関部２４３とを有する。第１同期信号レプリカ生成部２４１は、既知の第１同期信号（ＰＳＳ）の設定情報に基づいて、周波数領域での第１同期信号のレプリカを生成し、信号変換部２４２は、第１同期信号レプリカ生成部２４１で生成した周波数領域での第１同期信号のレプリカを、時間領域での第１同期信号のレプリカに変換する。波形相関部２４３は、スライディング相関器あるいはマッチドフィルタ等により第１同期信号のレプリカを時間軸上でずらしながら、その第１同期信号のレプリカと受信信号生成部２３から出力される受信信号との間の波形相関を求め、その相関の結果に基づいて、第１同期信号の受信タイミングの検出と、第１同期信号の系列番号の検出（セルローカルＩＤの検出）と、基地局装置との間の周波数オフセットの推定とを行う。周波数オフセットの推定結果は、周波数オフセット補償部２３３で用いられる。

更に、同期信号処理部２４は、周波数領域で第２同期信号（ＳＳＳ）を処理するための、第２同期信号レプリカ生成部２４４と第２同期信号相関部２４５とを有する。第２同期信号レプリカ生成部２４４は、既知の第２同期信号（ＳＳＳ）の設定情報に基づいて、周波数領域での第２同期信号のレプリカを生成する。第２同期信号相関部２４５は、第２同期信号のレプリカと、上記所定の受信タイミングで受信されて受信信号生成部２３から出力される周波数領域での受信信号との間の相関を求め、その相関の結果に基づいて、フレームタイミングの検出と、セルグループＩＤの検出とを行い、第１同期信号におけるセルローカルＩＤの検出結果とあわせてセルＩＤを検出する。フレームタイミング及びセルＩＤの検出結果は、その後の基本報知情報受信処理などで用いられる。

各種信号・情報検出処理部２５は、基本報知情報受信処理部２５１と、ビーム検出用信号レプリカ生成部２５２と、ビーム検出用信号相関部２５３と、拡張報知情報受信処理部２５４と、ベリフィケーション処理部２５５とを備える。
基本報知情報受信処理部２５１は、受信信号生成部２３から出力された受信信号に基づいて、次の（１）〜（４）の基本報知情報を抽出して検出する。
（１）システム帯域幅
（２）拡張報知情報の受信に必要な基地局設定情報（ビーム検出用信号のパラメータがある場合には、そのビーム検出用信号のビーム数や送信方法などの設定情報を含む）
（３）スーパーフレーム長又はそれに準ずる情報
（４）スーパーフレーム内の無線フレームのフレーム番号

上記システム帯域幅及び拡張報知情報の受信に必要な基地局設定情報を取得することにより、任意のシステム帯域幅や基地局装置で使用される任意のビーム数及びビーム検出用信号の送信方法に対応することができる。また、スーパーフレーム長（又はそれに準ずる情報）とスーパーフレーム内のフレーム番号とにより、スーパーフレームの開始タイミングを認識することができる。

また、基本報知情報受信処理部２５１で検出された基本報知情報は、ベリフィケーション処理部２５５で検証される。

ビーム検出用信号レプリカ生成部２５２は、既知のビーム検出用信号の設定情報に基づいて、周波数領域でのビーム検出用信号のレプリカを生成する。ビーム検出用信号相関部２５３は、ビーム検出用信号のレプリカと、上記所定の受信タイミングで受信されて受信信号生成部２３から出力される周波数領域での受信信号との間の相関を求め、その相関の結果に基づいて、少なくとも一つのビーム候補である検出対象ビームのビーム識別情報としてのビームＩＤを検出する。

拡張報知情報受信処理部２５４は、上記所定の受信タイミングで受信されて受信信号生成部２３から出力される周波数領域での受信信号から、ビーム検出用信号相関部２５３でビームＩＤが検出された検出対象ビームを用いて基地局装置１０から送信されるＳＩＢなどの拡張報知情報を抽出して検出する。拡張報知情報受信処理部２５４で検出された拡張報知情報は、ベリフィケーション処理部２５５で検証される。ビーム検出用信号相関部２５３でビームＩＤが検出された検出対象ビームが複数の場合は、その複数の検出対象ビームそれぞれについて拡張報知情報が抽出・取得されて検証される。

図９及び図１０はそれぞれ、本実施形態に係る移動局装置２０の下りリンクにおける初期接続処理の一例を示すフローチャート及びシーケンス図である。
本実施形態の初期接続処理ではまず第１同期信号の処理が行われる。移動局装置２０の第１同期信号の処理では、キャリア周波数の検出が行われ（図９のＳ１０１、図１０のＳ２０１）、その後、基地局装置１０から受信した受信信号から第１同期信号を検出し、その第１同期信号に基づいて、第１同期信号の受信タイミングの検出と、第１同期信号の系列番号の検出（セルローカルＩＤの検出）と、基地局装置との間の周波数オフセットの推定とが行われる（図９のＳ１０２、図１０のＳ２０２及びＳ２０３）。

次に、上記周波数オフセットの推定結果に基づいて、受信信号に対する周波数オフセットの補償処理とＣＰ除去処理とが行われ（Ｓ１０３）、その後、第２同期信号の処理が行われる。

移動局装置２０の第２同期信号の処理では、基地局装置１０から受信した受信信号から第２同期信号を検出し、その第２同期信号に基づいて、フレームタイミングの検出とセルグループＩＤの検出（セルＩＤの検出）とが行われる（図９のＳ１０４、図１０のＳ２０４及びＳ２０５）。

次に、基本報知情報の処理では、フレームタイミング及びセルグループＩＤ（セルＩＤ）に基づいて受信した受信信号から基本報知情報（ＭＩＢ等）が検出され（図９のＳ１０５、図１０のＳ２０６及びＳ２０７）、その検出された基本報知情報のベリフィケーション処理が行われる（図９のＳ１０６、図１０のＳ２０７）。この基本報知情報は、前述のシステム帯域幅、拡張報知情報の受信に必要な基地局設定情報、スーパーフレーム長（又はそれに準ずる情報）及びスーパーフレーム内の無線フレームのフレーム番号などを含み、ＣＲＣ符号化処理やセル毎（セルＩＤ毎）に固有のスクランブリング処理が施されている。ベリフィケーション処理において、ＣＲＣ符号化処理やセル毎（セルＩＤ毎）に固有のスクランブリング処理が施された基本報知情報（ＭＩＢ等）の受信処理により、検出したセルが正しくないと判断された場合（図９のＳ１０７でＮｏ）には、第２同期信号の処理からやり直される。あるいは、第１同期信号の処理からやり直してもよい。

上記ベリフィケーション処理において検出したセルが正しいと判断された場合（Ｓ１０７でＹｅｓ）には、基地局装置１０から受信した受信信号からビーム検出用信号を抽出して検出し、そのビーム検出用信号に基づいて少なくとも一つのビーム候補としての検出対象ビームのビームＩＤが検出される（図９のＳ１０８、図１０のＳ２０８）。そして、そのビーム候補（検出対象ビームのビームＩＤ）を用いて拡張報知情報の処理が行われる。

拡張報知情報の処理では、ビーム候補（検出対象ビームのビームＩＤ）に基づいて基地局装置１０から受信した受信信号から拡張報知情報（ＳＩＢ等）が検出され（図９のＳ１０９、図１０のＳ２０９及びＳ２１０）、その検出された拡張報知情報のベリフィケーション処理が行われる（図９のＳ１１０、図１０のＳ２１０）。この拡張報知情報は、ＣＲＣ符号化処理やビームＩＤ毎に固有のスクランブリング処理が施されている。ベリフィケーション処理において、ＣＲＣ符号化処理やビームＩＤ毎に固有のスクランブリング処理が施された拡張報知情報（ＳＩＢ等）の受信処理により、検出したビームが正しくないと判断された場合（Ｓ１１１でＮｏ）には、次のビーム候補（検出対象ビームのビームＩＤ）を用いた拡張報知情報の受信・検知及びそのベリフィケーション処理が実施される（図９のＳ１１２、Ｓ１０９〜Ｓ１１１）。なお、すべてのビーム候補（検出対象ビームのビームＩＤ）について、検出したビームが正しくないと判断された場合（図９のＳ１１２でＮｏ）には、第１同期信号の処理又は第２同期信号の処理からやり直してもよい。

以上、本実施形態によれば、下りリンクの初期接続処理における拡張報知情報の検出及びベリフィケーションにより、基地局装置１０との無線通信に用いるビームを決定している。これにより、移動局装置２０から基地局装置１０への上りリンクの初期接続前に、基地局装置１０側でのチャンネル情報を用いずに移動局装置２０に対応する最適なビームを決定することができ、下りリンクにおいてＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式による狭指向性ビームを用いたユーザ毎の個別制御情報やユーザ毎のデータの伝送を確実に且つ速やかに開始することができる。

図１１は、本実施形態に係る基地局装置１０からビーム検出用信号を送信する送信方法の一例を示す説明図。図１１（ａ）は基地局装置１０から送信されるビーム検出用信号を時間軸上及び周波数軸上に示し、図１１（ｂ）は基地局装置１０のアンテナ装置１１を中心とした無線通信エリア（セル）に対して複数（Ｎ個）のビーム毎に送信している水平方向のビーム検出用信号の様子を示している。図１１の例では、システム帯域幅全体を利用して、基地局装置１０から時間的に切り替えながら互いに異なるタイミングｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎでビーム検出用信号が時分割で送信されている。本例は、システム帯域幅全体を利用して送信することにより、伝搬損失の影響が少なく、周波数選択性フェージングでの周波数ダイバーシチ効果を重視する適用環境に適する。なお、本例では、同期信号、Ｐ−ＢＣＨ、Ｅ−ＢＣＨ及びその他の信号又はチャネルで利用されない無線リソースを用いて、ビーム検出用信号が送信される。

図１２は、本実施形態に係る基地局装置からビーム検出用信号を時分割多重で送信する場合の他の例を示す説明図である。本例では、システム帯域幅の一部を使用して、基地局装置１０から時間的に切り替えながら互いに異なるタイミングｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎでビーム検出用信号が時分割で送信されている。この場合は、ビーム検出用信号の帯域幅あたりの電力密度を増大させることができるため、ビーム検出用信号のカバレッジを拡大させることができる。

図１３は、本実施形態に係る基地局装置１０からビーム検出用信号を送信する送信方法の更に他の例を示す説明図。図１３（ａ）は基地局装置１０から送信されるビーム検出用信号を時間軸上及び周波数軸上またはサブキャリア軸上に配置している場合を示し、図１３（ｂ）は基地局装置１０のアンテナ装置１１を中心とした無線通信エリア（セル）に対して複数（Ｎ個）のビーム毎に送信している水平方向のビーム検出用信号の様子を示している。図１３の例では、システム帯域幅全体を利用して、基地局装置１０から時間的に切り替えながら互いに異なるタイミングｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎでビーム検出用信号が時分割で送信されている。更に、本例は、複数のビームのビーム検出用信号を同一送信タイミングそれぞれにおける互いに異なるサブキャリアで送信することにより、複数のビームのビーム検出用信号を時間方向だけでなく周波数方向にも多重化して送信している。本例のビーム検出用信号の送信方法は、複数のビーム全体に対するビーム検出に要する時間を短縮することができ、ビーム検出時間の短縮を重視する場合に適する。

図１４は、本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムにおける上りリンクの初期接続処理の一例を説明するための図である。図１４において、移動局装置２０は、下りリンクにおける受信タイミング同期が完了した後、下りリンクにおいて複数のビームのうち最も受信電力の高いビームを検出して特定し、その特定したビームを受信に利用する無線リソース（時間、周波数又は符号）で上りリンクのランダムアクセスを試行する。例えば、図１４中の４番目のビーム（ビームＩＤ＝＃４）において、移動局装置２０は、その４番目のビームを使用する無線リソースで基地局装置１０にランダムアクセスプリアンブル信号を送信してランダムアクセスする。また、図１４中の５番目のビーム（ビームＩＤ＝＃５）において、移動局装置２０は、その５番目のビームを使用する無線リソースで基地局装置１０にランダムアクセスプリアンブル信号を送信してランダムアクセスする。基地局装置１０は、複数のビーム３０について時間、周波数又は符号を切り替えながら、移動局装置２０からのランダムアクセスプリアンブル信号を受信する。

図１５は、本実施形態に係るＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯ伝送方式を用いた無線通信システムにおける上りリンクの初期接続処理の一例を示すシーケンス図である。本例は、基地局装置１０からの下りリンクの受信電力が最も高い第４番目のビーム３０（４）の方向に移動局装置２０が位置している例である（図１４参照）。ここでは複数のビームを時間的に切り替えながら受信するイメージで説明しているが、各ビームを時間的に切り替えながら受信する代わりに、周波数（またはサブキャリア周波数）あるいは拡散符号のいずれかを切り替えながら受信してもよいし、時間・周波数・拡散符号のうち二つの組み合わせ、あるいはこれらの全ての組み合わせを切り替えながら受信してもよい。

図１５において、基地局装置１０からの下りリンクの初期接続処理が完了した後、基地局装置１０の第４番目のビーム３０（４）が移動局装置２０に向いたタイミングｔ_４に（図１４参照）、移動局装置２０は基地局装置１０にランダムアクセスプリアンブル信号を送信する。

ランダムアクセスプリアンブル信号を受信した基地局装置１０は、基地局装置１０の第４番目のビーム３０（４）が移動局装置２０に向いた次のタイミングｔ_４に、ユーザ毎の個別制御情報であるタイミング制御情報を含むランダムアクセス応答信号（ランダムアクセス応答メッセージ）を移動局装置２０に送信する。ここで、移動局装置２０がランダムアクセスプリアンブル信号を送信した後、予め定められた時間以内にランダムアクセス応答信号を受信できない場合は、移動局装置２０は再度、上記所定のタイミングｔ_４にランダムアクセスプリアンブル信号の送信を試みてもよい。また、移動局装置２０は、ランダムアクセス応答信号を受信した場合、基地局装置１０から指定されたタイミング制御情報などを利用して、基地局装置１０の第４番目のビーム３０（４）が移動局装置２０に向いた次のタイミングｔ_４に、ランダムアクセス応答受信確認信号（受信確認メッセージ）を基地局装置１０に送信してもよい。

上記上りリンクの初期接続処理により、基地局装置１０側でチャネル情報を用いずに、基地局装置１０と移動局装置２０との間の上りリンクの同期を確立し、上りリンクの情報及びデータの通信を速やかに開始することができる。
しかも、移動局装置２０からの上りリンクの送信を行う上記所定のタイミングｔ_４に移動局装置２０に向いているビーム３０（４）は、移動局装置２０による下りリンクの受信電力が最も高いビームであるとともに、基地局装置１０による上りリンクの受信電力が最も高いビームでもある。従って、基地局装置１０と移動局装置２０との間の上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号の送受信を確実に行うことができるとともに、移動局装置に対する上りリンクのカバレッジを拡大させることができる。

なお、本実施形態では、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄへの適用を前提に説明したが、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄと類似のチャネル構成を用いるシステムであれば、本発明の概念はどのようなシステムにも適用可能である。

また、本明細書で説明された処理工程並びに移動通信システム、基地局装置及び移動局装置（ユーザ端末装置、移動機）の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。

ハードウェア実装については、実体（例えば、各種無線通信装置、Ｎｏｄｅ Ｂ、端末、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

１０ 基地局装置
１１ アンテナ装置
１１ａ アンテナ素子
１２ 各種信号・情報生成部
１３ 送信信号生成部
１４ 送信部
１５ 受信部
１６ 受信信号生成部
１７ ランダムアクセスプリアンブル信号検出部
１８ 記憶部
２０ 移動局装置（通信端末装置）
２１ アンテナ
２２ 受信部
２３ 受信信号生成部
２４ 同期信号処理部
２５ 各種信号・情報検出処理部
２６ ランダムアクセスプリアンブル信号生成部
２７ 送信信号生成部
２８送信部
２９記憶部
３０ ビーム
３１ セル（無線通信エリア）
１２１ 同期信号生成部
１２２ 基本報知情報生成部
１２３ ビーム検出用信号生成部
１２４ 拡張報知情報生成部
１２５ 個別制御情報生成部
１４１ ＲＦ信号送信部
１４２ 送信制御部
１５１ ＲＦ信号受信部
１５２ 受信制御部
２３１ 低域通過フィルタ部（ＬＰＦ）
２３２ アナログ／デジタル変換部（Ａ／Ｄ）
２３３ 周波数オフセット補償部
２３４ ＣＰ（除去部）
２３５ 高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）
２４１ 第１同期信号レプリカ生成部
２４２ 信号変換部
２４３ 波形相関部
２４４ 第２同期信号レプリカ生成部
２４５ 第２同期信号相関部
２５１ 基本報知情報受信処理部
２５２ ビーム検出用信号レプリカ生成部
２５３ ビーム検出用信号相関部
２５４ 拡張報知情報受信処理部
２５５ ベリフィケーション処理部

特開２０１５−０４１８１７号公報

Claims (18)

1. 多数のアンテナ素子を備えた基地局装置と、前記基地局装置と無線通信可能な通信端末装置とを備え、前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより前記基地局装置から前記通信端末装置に送信可能な無線通信システムであって、
   前記基地局装置は、
   予め設定された複数のビームを切り替えながら、所定の無線通信フレームに同期信号と基本報知情報とビーム検出用信号と拡張報知情報とを配置して送信する手段を備え、
   前記通信端末装置は、
   前記無線通信フレームに含まれる前記同期信号を受信して下りリンクの同期処理を行う手段と、
   前記下りリンクの同期処理が完了した後、前記無線通信フレームに含まれる前記基本報知情報を受信する手段と、
   前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれる前記ビーム検出用信号を受信し、検出対象のビームの候補を決定する手段と、
   前記ビームの候補に対応する拡張報知情報を受信する手段と、
   前記拡張報知情報に基づいて、前記基地局装置との無線通信に用いるビームを決定する手段と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 請求項１の無線通信システムにおいて、
   前記複数のビームはそれぞれ、前記基地局装置のアンテナを中心として２次元的又は３次元的に互いに異なるビーム指向性を有することを特徴とする無線通信システム。
3. 請求項１又は２の無線通信システムにおいて、
   前記複数のビームそれぞれに対応するビーム検出用信号は、同一送信タイミングにおける互いに異なるサブキャリアで送信されることを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかの無線通信システムにおいて、
   前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、
   前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていることを特徴とする無線通信システム。
5. 請求項１乃至４のいずれかの無線通信システムにおいて、
   前記基地局装置は、前記拡張報知情報を所定の巡回冗長検査（ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Checking）符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とを施して送信し、
   前記通信端末装置は、
   前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、複数のビームの候補を決定し、
   前記複数のビームの候補からいずれか１つのビームを選択し、その選択したビームに対応する拡張報知情報を受信し、
   前記拡張報知情報の受信処理により、前記選択したビームが正しくないと判断された場合、他のビームの候補に対応する拡張報知情報を受信し、
   前記複数のビームの候補のすべてについてビームが正しくないと判断された場合は、前記同期信号の受信から前記ビームの決定までをやり直すことを特徴とする無線通信システム。
6. 請求項１乃至５のいずれかの無線通信システムにおいて、
   前記基地局装置は、前記複数のビームのビーム検出用信号を、時分割及び周波数分割の少なくとも１つによる多重化を行って送信することを特徴とする無線通信システム。
7. 請求項１乃至６のいずれかの無線通信システムにおいて、
   前記通信端末装置は、前記下りリンクの初期接続処理が完了した後、前記複数のビームのうち下りリンクにおいて最も受信電力が高いビームを特定し、その特定したビームを用いる無線リソースで前記基地局装置に対する上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を送信する手段を備え、
   前記基地局装置は、予め設定された複数のビームを切り替えながら、前記上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を受信することを特徴とする無線通信システム。
8. 多数のアンテナ素子を備え、前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより通信端末装置に送信可能な基地局装置であって、
   予め設定された複数のビームを切り替えながら、所定の無線通信フレームに同期信号と基本報知情報とビーム検出用信号と拡張報知情報とを配置して送信する手段を備え、
   前記基本報知情報は、前記拡張報知情報の受信に必要な基地局設定情報と、前記ビーム検出用信号の設定情報と、前記無線通信フレームに対応するフレーム番号とを含むことを特徴とする基地局装置。
9. 請求項８の基地局装置において、
   前記複数のビームはそれぞれ、前記基地局装置のアンテナを中心として２次元的又は３次元的に互いに異なるビーム指向性を有することを特徴とする基地局装置。
10. 請求項８又は９の基地局装置において、
    前記複数のビームそれぞれに対応するビーム検出用信号は、同一送信タイミングにおける互いに異なるサブキャリアで送信されることを特徴とする基地局装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれかの基地局装置において、
    前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、
    前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていることを特徴とする基地局装置。
12. 請求項８乃至１１のいずれかの基地局装置において、
    前記拡張報知情報を所定の巡回冗長検査（ＣＲＣ：Cyclic Redundancy Checking）符号化処理とビーム毎に固有のスクランブリング処理とを施して送信することを特徴とする基地局装置。
13. 請求項８乃至１２のいずれかの基地局装置において、
    前記複数のビームのビーム検出用信号を、時分割及び周波数分割及び符号分割の少なくとも１つによる多重化を行って送信することを特徴とする基地局装置。
14. 請求項８乃至１３のいずれかの基地局装置において、
    前記基地局装置は、予め設定された複数の受信ビームを時間的に切り替えながら、上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を通信端末装置から受信することを特徴とする基地局装置。
15. 多数のアンテナ素子を備えた基地局装置から前記多数のアンテナ素子を用いたビームフォーミングにより送信される信号を受信可能な通信端末装置であって、
    前記基地局装置から予め設定された複数のビームを切り替えながら送信される所定の無線通信フレームに含まれる同期信号を受信して下りリンクの同期処理を行う手段と、
    前記下りリンクの同期処理が完了した後、前記無線通信フレームに含まれる基本報知情報を受信する手段と、
    前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、検出対象のビームの候補を決定する手段と、
    前記ビームの候補に対応する拡張報知情報を受信する手段と、
    前記拡張報知情報に基づいて、前記基地局装置との無線通信に用いるビームを決定する手段と、
    を備えることを特徴とする通信端末装置。
16. 請求項１５の通信端末装置において、
    前記所定の無線通信フレームは、前記複数のビームそれぞれに対応する複数の基本フレームを連続して配置して構成され、前記複数の基本フレームはそれぞれ前記同期信号と前記基本報知情報と前記ビーム検出用信号と前記拡張報知情報とが配置されていることを特徴とする通信端末装置。
17. 請求項１５又は１６の通信端末装置において、
    前記基本報知情報に基づいて、前記無線通信フレームに含まれるビーム検出用信号を受信し、複数のビームの候補を決定し、
    前記複数のビームの候補からいずれか１つのビームを選択し、その選択したビームに対応する拡張報知情報を受信し、
    前記拡張報知情報の受信処理により、前記選択したビームが正しくないと判断された場合、他のビームの候補に対応する拡張報知情報を受信し、
    前記複数のビームの候補のすべてについてビームが正しくないと判断された場合は、前記同期信号の受信から前記ビームの決定までをやり直すことを特徴とする通信端末装置。
18. 請求項１５乃至１７のいずれかの通信端末装置において、
    前記下りリンクの初期接続処理が完了した後、前記複数のビームのうち下りリンクにおいて最も受信電力が高いビームを特定し、その特定したビームを用いた無線リソースで前記基地局装置に対する上りリンクのランダムアクセスプリアンブル信号を送信する手段を備えることを特徴とする通信端末装置。