JP6505330B2 - 無線制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームフォーミング技術を適用する無線基地局装置の制御装置に関する。

次世代移動体通信システムである第５世代移動通信(以下、５Ｇとも称す)システムの規格標準化が３ＧＰＰ（3rd Generation Partnership Project）において行われている。３ＧＰＰでは、５Ｇシステムとして、５Ｇの新しい無線技術（ＮＲ：New Radio）と現行方式であるＬＴＥ-Ａ（Long Term Evolution Advanced）を組合せたシステムと、ＬＴＥ−Ａと組み合わせをしないＮＲのみのシステムの標準化が行われている。５Ｇシステムではデータ通信量を現行システムよりも増大するために広周波数帯域を確保する必要がある。

広周波数帯域を確保するために高周波数帯域を使用する必要があるが、高周波数帯域では距離による電波の減衰が大きく、同じ送信電力であっても高周波数帯域では低周波数帯域よりも伝播距離が短いという物理的な制約がある。この制約を克服するために５ＧシステムのＮＲでは、アンテナ利得の向上による受信電力と送信電力の増加と、特定の方向に向けて集中的に電波（ビーム）を照射するビームフォーミング(以下、ＢＦとも称す)の技術を用いることが検討されている。なお、ビームフォーミングは電波の送信方向のみでなく、受信方向を特定方向に限定する技術であり、以降ではビームを送信する場合を主に説明するが、ビームを受信する場合のビームフォーミングも同様に行うことができる。

基地局がＢＦにより特定の方向に向けられたビームを用いて端末と通信するためには、基地局は端末が基地局のサービスエリア内に在圏すること、そしてその端末がどの方向に位置しているかを知る必要がある。端末が存在する位置を基地局が取得するための技術として、基地局がサービスエリア内のそれぞれの方向に異なる識別番号を含むビームの照射を一定間隔で行い、端末から受信感度または受信電力が良好なビームの識別情報を報告してもらう方式が提案されている（非特許文献１）。

非特許文献１の方式でサービスエリア全体をカバーするために、基地局はサービスエリア内を万遍なく網羅するようにビームを照射する必要がある。これを実現する方式として、アナログビームフォーミングとデジタルプリコーディングを組み合わせたビームフォーミングを行うハイブリッドビームフォーミングがある。ハイブリッドＢＦでは、アンテナ素子の集合体であるアレーを複数個備えたアレーアンテナを使用し、１つのアレーから１つのビームを照射するようにして、複数のアレーからそれぞれ別の方向にビームを照射するようにする。基地局のサービスエリアをハイブリッドＢＦにより照射可能なビームで同時にカバーできない場合には、基地局は照射方向を変えてビームを照射することによりサービスエリア全体をカバーする。

非特許文献１では、基地局が参照信号、同期信号もしくはセル固有信号(以下、これらをまとめて参照信号と称す)をハイブリッドＢＦによるビームで送信し、端末が受信したビームの参照信号に含まれるビームの識別情報を基地局に送信することにより、基地局において端末の位置を判断する。なお、以降では基地局が端末から受信するビームの識別情報をフィードバック情報と称す。特許文献１では、参照信号を含むビーム（以下、端末サーチ用ビームと称す）を照射して端末からフィードバック情報を受信した後に、フィードバック情報に基づいて選択した方向にデータ通信用のビーム（以下、通信用ビームと称す）を照射して基地局と端末間のデータ通信が行われる。

端末が高速に移動する場合、基地局は端末の移動に追従するために端末サーチ用ビームを頻繁に基地局のサービスエリアに照射して、端末の位置を検知する必要がある。しかし、端末サーチ用ビームを頻繁に照射すると通信用ビームを照射する時間が減少し、基地局と端末とのデータ通信量であるスループットが低下し、自局のサービスエリア内に在圏する全ての端末とのデータ通信量であるセルスループットも低下するという問題がある。この問題に対処する方法として、基地局が端末の移動速度に対応してサービスエリア（セル）内の測定頻度（端末サーチ用ビームの送信頻度）を増やす技術が提案されている（特許文献１）。

特表２０１２-５１４３７７

内野大地、福井範行、武啓二郎、岡村敦、"移動体通信システムにおける指向性ビーム配置に関する検討"、電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集、２０１５年、Ｂ−５−１１０

特許文献１に記載された従来の端末位置の検知方法を上述の複数のビームによりサービスエリアをカバーする基地局に適用した場合、通信相手の端末が高速移動をしていると、サービスエリアにおける端末サーチ用ビームの送信頻度が高くなるため、サービスエリア全体のスループットが低下してしまうという問題があった。

この発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、通信相手の端末が高速移動する場合のサービスエリア全体のセルスループットの減少を低減することが可能な、無線基地局装置を制御する無線制御装置を得ることを目的とする。

この発明の無線制御装置は、同時にはいずれか一方が照射される端末サーチ用ビームと通信用ビームとを含むビームが照射されるスポットを複数個有し、複数のビームが照射され、かつ複数のビームで同時にカバーされないサービスエリアに通信サービスを提供する無線基地局装置が行うビームフォーミングを制御する無線制御装置であって、無線基地局と通信する端末が送信する無線信号の到来方向を推定する到来方向推定部と、到来方向推定部が推定した到来方向に基づいて、スポット内にアクティブな端末が存在するか否かを判定し、アクティブな端末が存在しないと判定した場合に、無線基地局装置が行うビームフォーミングを制御して、当該スポットに照射される端末サーチ用ビームの頻度を減少させるとともに、サービスエリア内の他のスポットに照射される通信用ビームの頻度を増加させる制御部と、を備えるものである。

この発明の無線制御装置によれば、スポット内のアクティブな端末の存在の有無を判定して、アクティブな端末が無い場合に当該スポットに照射される端末サーチ用ビームの頻度を低減することで、端末サーチ用ビームのビームフォーミングのリソースの消費を軽減し、他のスポットの通信用ビームのビームフォーミングにリソースを振り分けることができるので、セル全体のスループットを向上することができる。

アレーアンテナ装置の構成の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る無線制御装置および無線基地局装置の構成の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る無線基地局装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る無線基地局装置を適用した無線通信システムの構成の一例を示す模式図である。 この発明の実施の形態１に係る無線制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に関わる無線通信システムにおける動作例を示す模式図である。 この発明の実施の形態２に係る無線制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る無線制御装置における端末サーチ用ビームの送信頻度調整の処理の一例を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。以降で参照する図面においては、同じもしくは相当する部分に対して同じ符号を付している。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る無線基地局装置１０５に接続されるアンテナであるアレーアンテナ装置１００の構成例を示すブロック図である。複数個のアンテナ素子１０２の配列がアンテナアレー１０１を構成し、さらに複数個のアンテナアレー１０１がサブアレーアンテナ１１０を構成する。アンテナ駆動装置１０３はサブアレーアンテナ１１０を駆動する装置である。複数のサブアレーアンテナ１１０とアンテナ駆動装置１０３によりアレーアンテナ装置１００が構成される。図１ではサブアレーアンテナ１１０とアンテナ駆動装置１０３が対になる構成としているが、必ずしも対になるように構成する必要はない。また、図１のアレーアンテナ装置１００は３個のサブアレーアンテナ１１０を備えるが、これより多くても少なくてもよい。同様にアンテナ素子１０２、アンテナアレー１０１の個数も図１の例に限定されない。アンテナ素子１０２はパッチアンテナ、ダイポールアンテナ、ホーンアンテナまたはモノポールアンテナなどである。

アンテナ駆動装置１０３はサブアレーアンテナ１１０を駆動し、ビームフォーミングによりサブアレーアンテナ１１０からビームを照射させる装置である。ビームフォーミングの方式は、アナログＢＦ、デジタルＢＦ、ハイブリッドＢＦの何れであってもよい。ここではアンテナアレー１０１がそれぞれ１つのビームをＢＦにより照射するものとする。アレーアンテナ装置１００とアンテナ駆動装置１０３間の接続は、光ファイバー、同軸ケーブル、導波管、銅線または無線などで行われる。

アンテナ駆動装置１０３は無線基地局装置１０５に接続される。アンテナ駆動装置１０３は無線基地局装置１０５から受信する無線送信信号に応じてアレーアンテナ装置１００を駆動する。すなわち、無線基地局装置１０５から受信する無線送信信号を、定められたビームによりアレーアンテナ装置１００から送信し、また、定められたビームをアレーアンテナ装置１００により受信して、無線受信信号を無線基地局装置１０５に送信する。

図２はこの実施の形態に係る無線基地局装置１０５と無線基地局装置１０５が備える無線制御装置２０１の構成例を示すブロック図である。無線基地局装置１０５は無線制御装置２０１の他に、アンテナ調整部２０２、送受信部２０４、インタフェース部２０５を備えている。また、無線制御装置２０１は到来方向推定部２０３と制御部２０６を備えている。

アンテナ調整部２０２は、図１に示した複数のサブアレーアンテナ１１０が備える複数のアンテナアレー１０１のそれぞれから送信、受信される無線信号の振幅、位相を調整してビームを生成するビームフォーミングの処理を行う電子回路であり、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)などで実現される。アンテナ調整部２０２は無線制御装置２０１の制御部２０６の指示により、指定された方向に送信ビーム(端末サーチ用ビームおよび通信用ビーム)を形成する。

アンテナ調整部２０２は送受信部２０４から受信する送信信号に対してビームフォーミングの処理を行いアレーアンテナ装置１００から送信される無線送信信号を出力する。また、アンテナ調整部２０２は、アレーアンテナ装置１００から受信する受信無線信号に対して、制御部２０６から指定された方向に受信ビームを形成するビームフォーミング処理を行い、取得した受信信号を送受信部２０４に送信する。また、アンテナ調整部２０２は端末が送信した信号の到来方向を推定する処理のために、制御部２０６の制御を受けて、自局の送信信号を受信する端末が存在する方向を含む一定範囲を受信ビームで走査するようにビームフォーミングを行う。以降の説明では１つのビームがカバーする範囲をスポットと称することにする。

送受信部２０４はアンテナ調整部２０２に対して送信信号を入力し、アンテナ調整部２０２からの受信信号を処理するブロックである。送受信部２０４が行う処理は、既存の無線通信機が備える送受信機の処理であり、変調処理、復調処理、アナログデジタル変換処理、周波数変換処理などである。インタフェース２０５はバックボーンネットワークへのインタフェースを提供する。インタフェース２０５はバックボーンネットワークから受信する端末向けの送信信号（通信用ビームで送信する信号）を送受信部２０４に転送し、また、送受信部２０４から受信するユーザ端末からの信号（通信用ビームで受信した受信信号から得られる信号）をバックボーンネットワークに転送する。

無線制御装置２０１は、アンテナ調整部２０２が行うビームフォーミング処理を制御する装置である。ここでは、無線制御装置２０１を無線基地局装置１０５が備える構成を示しているが、無線基地局装置と切り離して個別の装置としてもよい。なお、これ以降の説明では無線制御装置２０１を無線基地局装置１０５が備える構成を前提とする。制御部２０６は端末が在圏するスポットの判定のため、端末サーチ用ビームを用いて送信される参照信号を生成し送受信部２０４に転送する。送受信部２０４は受け取った参照信号を送信信号としてアンテナ調整部２０２に転送し、端末サーチ用ビームにより端末へ送信される。このとき、制御部２０６は、端末サーチ用ビームが一定範囲を走査するようにアンテナ調整部２０２を制御する。なお、ここで一定範囲とは例えばビームフォーミングが届く範囲(受信機の感度が-92ｄBｍ／５MHｚ以上の範囲)である。

端末は受信した端末サーチ用ビームに含まれるスポット識別子(ビームが照射された位置を識別するための識別子)あるいはビーム識別子(ビームを識別するための識別子)と、後述する送信信号情報と、端末サーチ用ビームの受信結果をフィードバック情報として無線基地局装置１０５に送信する。この受信結果は送受信部２０４で受信信号から抽出され、制御部２０６に転送される。

到来方向推定部２０３は、制御部２０６がアンテナ調整部２０２を制御してこの時の端末サーチ用ビームを送信した方向と、端末から受信した当該端末サーチ用ビームの受信結果とに基づいて、ビーム切り替えを行う端末(自基地局と通信中の端末)やハンドオーバーを行う端末(他の基地局と通信中の端末)が送信している信号の到来方向を推定する。推定した到来方向は制御部２０６に通知され、制御部２０６は端末ごとに端末が送信する信号の到来方向を最新情報に更新して記憶する。なお、到来方向推定部２０３は、ハンドオーバーを行う端末やビーム切り替えを行う端末が周囲に存在していない状態でも、自基地局と通信中の端末が存在する場合には、通信中の端末についても同様の方法で当該端末が送信する信号の到来方向を推定する。なお、この端末が送信する信号の到来方向を推定する動作を以降ではビームトラッキングと称する。

図２に示した無線基地局装置１０５が備える各機能ブロックをアンテナ調整部２０２と同様に回路で実現することが可能であるが、図３に示すように一部の機能をプロセッサおよびその周辺回路からなるハードウェアとプロセッサ上で動作するプログラムで実現することも可能である。図３は、プロセッサ８０１、メモリ８０２、ネットワークインタフェースカード８０５によって制御部１０６および到来方向推定部２０３を実現し、送受信回路８０３によって送受信部２０４を実現する場合の構成例を示している。なお、この例ではアンテナ調整部２０２とアレーアンテナ装置１００が直接接続される例を示しているが、ネットワークインタフェースカード８０５を介して接続するように構成してもよい。

図４は、この発明の実施の形態１に係る無線基地局装置１０５を適用する無線通信システムの構成例を示す模式図である。なお、図４では図を簡単にするため無線基地局装置１０５の図示を省略し、無線基地局装置１０５に接続されるアレーアンテナ装置１００を示している。図４に示す無線通信システムは、無線基地局装置１０５とアレーアンテナ装置１００と端末３００（端末３００ａと端末３００ｂ）を含んでいる。図中において破線の楕円はそれぞれ無線基地局装置１０５に接続されたアレーアンテナ装置１００がビームを送信するスポットを示しており、無線基地局装置１０５がカバーするサービスエリア（セル）はこれらの楕円の集合である。なお、１つのスポットには周波数、偏波等が異なる互いに干渉を生じないビームであれば複数のビームが照射されてもよい。

ここで無線基地局装置１０５が同時に送信可能なビーム数は無線基地局装置１０５のサービスエリア内のスポット数よりも少なく、無線基地局装置１０５は同時にはサービスエリア全体をカバーすることができず、時分割でサービスエリア内のスポットに通信サービスを提供するものとする。なお、実際にはビームはアレーアンテナ装置１００によって照射されるが、以降では、無線基地局装置１０５が照射すると記載する場合がある。

ここで、図３に示した構成の無線通信システムにおけるビーム切り替え動作について説明する。ビーム切り替えとは同一基地局から送信されるビーム間で、端末があるビームから別のビームに使用するビームを切り替える処理である。図３において端末３００ａがスポット４００に放射されるビームからスポット４１２に照射されるビームに切り替える場合を例にビーム切り替え動作を説明する。

図４において、端末３００ａは無線基地局装置１０５がスポット４００に照射する通信用ビームを用いて通信を行っている。この状態で、無線基地局装置１０５の制御部２０６が、端末３００ａが通信に使用するビームをスポット４１２に照射されるビームに切り替える必要があると判断した場合、無線基地局装置１０５は端末サーチ用ビームを用いて当該端末について到来方位推定を行い、端末３００ａが在圏するスポットを判定する。この際、端末３００ａからのフィードバック情報や送信信号情報、送信信号タイミングを元に推定を行う。

ここで、送信信号情報とは、端末３００ａが送信する信号を特定するために必要な情報であり、例えば、端末の識別子（端末識別子）、端末に特有のビットパターンや信号パターンなどである。以下の説明において送信信号情報は、前述した端末識別子、端末に特有のビットパターンや信号パターンなどを示すものとする。

無線基地局装置１０５の到来方向推定部２０３は、端末３００ａから送信された信号の受信結果として、受信信号の信号強度を取得する。なお、信号強度の代わりにＳＮＲ(Signal to Noise Power Ratio)やＳＩＮＲ(Signal to Interference plus Noise power Ratio)を取得するようにしてもよい。また、信号の到来方向(とビームの形成方向の関係)の変化に応じて値が変化する、信号の受信状態を示す他の情報を取得するようにしてもよい。以下の説明では信号強度を取得するものとする。

無線基地局装置１０５の到来方向推定部２０３は、信号強度に基づいて端末３００ａから送信された信号の到来方向を推定し、推定した方向にビーム形成して通信用ビームにて下り同期信号を送信する。また無線基地局装置１０５は、他局からのハンドオーバーにより自局に接続する他の端末やビーム切り替えをした端末３００ａが送信する上り信号(以降、上り同期信号と称する)を受信するために、無線受信信号に対してビームフォーミングを行い、受信信号を取得する。なお、このときのビーム幅は通信用ビームを送信する際のビームフォーミングのときのビーム幅と同一とする。

無線基地局装置１０５の到来方向推定部２０３は受信信号から得られる端末３００ａの送信信号情報やフィードバック情報に基づいて、端末３００ａの在圏するスポットを再度判定する。

なお端末３００ａの信号送信タイミングは、無線基地局装置１０５から端末サーチ用ビームを送信するタイミングと連動するものである。無線基地局装置１０５は端末サーチ用ビームを送信した後、端末３００ａからの信号送信タイミングを特定することが可能であり、そのタイミングに基づいて受信信号から端末３００ａからのフィードバック情報を得ることが可能である。無線基地局装置１０５と端末３００ａが通信用ビームでデータ伝送を行うには、事前に端末サーチ用ビームによって端末３００ａが在圏するスポットを判定し、判定後に通信用ビームを用い無線基地局装置１０５と端末３００ａがデータ伝送(上りリンク伝送、下りリンク伝送)を行う。

ここで、端末サーチ用ビームと通信用ビームは交互に無線基地局装置１０５から照射される。無線基地局装置１０５から送信される全ての端末サーチ用ビームが同一の間隔である場合、端末サーチ用ビームの照射頻度が増す(送信周期が短くなる)と、通信用ビームの照射頻度は減り(送信時間が短くなり)、無線基地局装置１０５のセルスループットが低下することになる。反対に、端末サーチ用ビームの照射頻度が減ると、通信用ビームの照射頻度が増えて(送信時間が長くなる)、無線基地局装置１０５のセルスループットが上昇する。

また、端末サーチ用ビームの照射間隔は通信対象の端末の移動速度とスポットのサイズにより定める必要がある。例えば、スポットのサイズが５ｍ（スポットを横切るもっとも長い直線の長さを測るものとする）の場合、端末の移動速度が１０ｋｍ／ｈであれば、１秒間に５回程の頻度で端末サーチ用ビームを送信して当該端末についてビームトラッキングすることで、端末の移動を追尾することが可能だが、端末の移動速度が３０ｋｍ／ｈの場合には１秒間に１５回程度の頻度で端末サーチ用ビームを送信してビームトラッキングをする必要がある。

また、端末の移動速度が１０ｋｍ／ｈであっても例えばスポットのサイズが２ｍである場合には１秒間に１５回程度の頻度で端末サーチ用ビームを送信してビームトラッキングすることが必要になる。図４で模式的に示したように無線基地局装置から離れたスポットは無線基地局装置に近いスポットよりも面積が大きくなる。例えば図４に示すスポット４０３は、これよりも無線基地局装置１０５に接続されたアレーアンテナ装置１００の近傍にあるスポット４０２やスポット４０１よりもスポットのサイズが大きくなる。したがって、端末の移動速度が同じであったとしても、当該端末がスポット４０３に在圏する場合には端末サーチ用ビームの送信頻度が少なく(送信周期を長く)することができる。一方、在圏するスポットがアレーアンテナ装置１００に近いスポット４０１では端末サーチ用ビームの送信頻度を多く(送信周期を短く)する必要がある。

さらに、他の基地局がサービスを提供するセルとの境界であるセルエッジであるスポット４０３などのスポットにおいて端末サーチ用ビームの送信頻度を少なくすると、基地局間で接続先を切り替えるハンドオーバーを行う端末が存在する場合に、当該端末が受信できる端末サーチ用ビームの頻度が下がることになり、ハンドオーバーの失敗率が増えて、通信断絶が増加してしまう可能性がある。したがって、セルエッジにあるスポットの端末サーチ用ビームの送信頻度を少なく(送信周期を長く)することは得策ではない。

上述のように移動する端末を追尾することを考えた場合、スポットのサイズが大きい場合には端末サーチ用ビームの送信頻度は小さくてよく、反対にスポットのサイズが小さい場合には端末サーチ用ビームの送信頻度は大きい必要がある。しかし、スポットのサイズの大きさは物理的に在圏可能な端末数の上限になる。例えば、スポット４０１は最も無線基地局装置１０５の近傍に存在し、スポットのサイズは最小である。仮にスポット４０１のサイズが５ｍだとした場合には、そのスポット内に在圏可能な端末数は２５台程度となる。

このような小さなサイズのスポットでは、端末が在圏していないことや、在圏していたとしてもアイドル状態(端末が休止もしくはデータ通信を行っていない状態)にあることが考えられる。このような状態のスポットへ、高頻度に端末サーチ用ビームを照射することはリソースの無駄となる可能性がある。ここでリソースとは、アレーアンテナ装置１００から送信するビーム、あるいは当該ビームを形成するためのビームフォーミング処理である。この実施の形態の無線基地局装置１０５は、このような在圏する端末が存在しないか、あるいは、アイドル状態の端末のみであるスポットへの端末サーチ用ビームの送信頻度を変えることでこの課題を解決する。

例えば図４において、アレーアンテナ装置１００の近傍にあり、サイズの小さいスポットであるスポット４００、スポット４０１、スポット４１２に対しては、これらのスポットに端末が在圏していないかもしくは在圏している端末の状態がアイドル状態である場合に、そのスポットへ照射する端末サーチ用ビームの送信頻度を低下して、端末サーチ用ビームの送信周期を長くすることにより、当該スポットへの端末サーチ用ビームの送信に用いられるビーム（あるいはビームフォーミング処理）を、アクティブ状態（データ通信を行っている状態）の端末が在圏する別のスポットに対して通信用ビームとして割り当てることにより、無線基地局装置１０５のセルスループットを向上させることが可能である。

以下、図５に示すフローチャートを用いて、無線基地局装置１０５の制御部２０６が行う端末サーチ用ビームの送信頻度を低下する処理の動作を説明する。アレーアンテナ装置１００の近傍にあるセル内の他のスポットよりもサイズの小さなスポットの全てに対して図５のフローチャートに記載のループ（Ｌ１００）内の処理を制御部２０６が実行する。なお、アレーアンテナをビルなどの壁面に設置した場合、垂直方向に対してＢＦのチルト角が大きいため、無線基地局装置１０５のアレーアンテナ装置１００の近傍にサイズの小さなスポットが形成される。このように、Ｌ１００の処理の対象になるスポットはあらかじめ特定しておくことが可能である。

Ｌ１００内の処理を説明する。まず、制御部２０６は対象のスポットについて、端末が在圏しているかを判定する（Ｓ１００）。Ｓ１００の処理の対象になる端末は、Ｌ１００の処理を開始する時点で到来方向推定部２０３がビームトラッキングにより端末の送信信号の到来方向を推定して、その存在を把握している端末であり、このような端末が特定のスポットにある場合、その端末は当該スポットに在圏する。Ｓ１００の処理において端末が在圏していないと判断した場合、制御部２０６は後述のＳ１２０の処理を実施する。

Ｓ１００の処理で端末が在圏していると判断すると、制御部２０６は次に、当該スポットにアクティブな端末が在圏しているかを判定する（Ｓ１１０）。Ｓ１１０の処理でアクティブな端末の在圏がないと判断すると、制御部２０６は後述のＳ１２０の処理を実施する。Ｓ１１０の処理でアクティブな端末の在圏があると判断すると、参照信号を生成する頻度は変更せず、Ｌ１００の処理を完了する。Ｌ１００の処理の対象のスポットが残っている場合には残りのスポットについて引き続きＬ１００の処理を実施し、無ければ図５のフローチャートの処理を完了する。

ここでＳ１２０の処理について説明する。Ｓ１２０の処理では、制御部２０６は対象のスポットについて端末サーチ用ビームで送る参照信号の送信頻度を１/(２のｎ乗)に変更する。すなわち、参照信号を送信する周期を（２のｎ乗）倍に長くする。ここで、ｎは正の整数であり、スポットのサイズや端末とアンテナの距離によって決定するパラメータである。ｎを決定する方法として、例えば逆二乗の法則に基づいて決定する方法がある。

例えばアンテナの設置位置から逆二乗の法則で拡大したビームが作りだすスポットを端末が最大の移動速度で通過することを想定した場合、端末の移動に追従してビーム切り替えを行いながら、端末が在圏するスポットを把握することが可能なｎは、以下に示す式（１）に基づいて算出することができる。

2^ｎ=(((H×tanθ)/ｍ)/V)×1000 (1)

式（１）において、Vは端末の最大の移動速度(ｍ／ｓ)、θは基地局の地点と、基地局がビーム切り替えを判定した時の端末の地点およびビーム切り替えを実施するときの端末の地点とのなす角であり、ビーム切り替え判定の開始角度（ｒａｄ）である。このビーム切り替えを判断した地点からビーム切り替えを実施する地点までの区間は、サービスエリア内のスポット位置を決める際に、スポットの重複から求めておくことができる。Ｈはアンテナ設置高さ（ｍ）であり、また、ｍは測定保護段数(回数)であり、角度θの範囲で行う測定回数を示す。ｍが大きいほどピンポンビーム切り替え(別のスポットへ移動後にすぐに元のスポットへビーム切り替えをしてしまう現象であり、受信感度がスポット間で拮抗している場合によく発生する)を抑制できる。

決定したｎの値は下りリンクの個別送信またはブロードキャスト送信で該当のスポットに在圏している端末に伝えることができる。これにより、端末は通常時の２のｎ乗の周期で送信される参照信号を受信し、フィードバック情報を基地局へ伝送することができる。なお、ビーム切り替えやハンドオーバーにより新たに対象のスポットに在圏する可能性のある端末に対して、決定したｎの値をスポットの場所情報(基地局識別子やスポット識別子、地理的な場所や電波的な場所)とともに送信して、通知することも可能である。ここで、別の無線基地局装置に対しては、例えば３ＧＰＰの規格で定められたＸ２インタフェースなどの基地局間のインタフェースを用いて通知したり、あるいは、無線基地局装置を管理する制御装置を介して通知したりすることが考えられる。

参照信号の送信頻度を１／（２のｎ乗）に減らすことで、端末サーチ用ビーム用のビームフォーミングで使用するリソースを削減することができる。これにより、削減した分のリソースを別のスポット向けの通信用ビームに使用することが可能となり、無線基地局装置１０５のサービスエリア全体でのスループット（セルスループット）を向上することができる。また、参照信号の送信頻度を１／（２のｎ乗）に減らす処理は、ビットシフトで容易に実現することができる。特に、ハードウェア(ＦＰＧＡやＡＳＩＣ、ＤＳＰ)で実現する場合に回路規模を削減し、製造コストを抑える効果がある。

なお、端末サーチ用ビームで送る参照信号の送信頻度は１／（ｎの整数倍）で低下させてもよい。このときの、ｎを何倍するかは例えばサービスエリア端から該当スポットまでのスポット数で決めることが可能である。１／（２のｎ乗）とする場合に比べて参照信号の送信頻度を急激に減らすことができない点で不利であるが、サービスエリアが小規模なスモールセルや指向性ビームをより絞った小型スポットにおいて以下の効果がある。アンテナをビル壁面に設置し横方向にビームを照射した場合、ビーム照射範囲(スポット)はアンテナ方向に長い楕円形となるが、アンテナを屋内の天井に設置して下方にビームを照射する場合は、スポットは円形に近くなる。スポットが円形に近い場合、アンテナ近傍とアンテナ遠方でスポットのサイズ差が小さいことから、参照信号の送信頻度を１／（２のｎ乗）とすると減らしすぎになる可能性がある。このような場合に参照信号の送信頻度を１／（ｎの整数倍）にすることで、参照信号の送信頻度の減らし過ぎを防止できる。

なお、上述の説明では無線基地局装置１０５（アンテナ装置１００）の近傍のスポットを端末サーチ用ビームの送信頻度を低下する対象としたが、これに関わらず、近傍以外のスポットを対象にしてもよい。また、アクティブ状態の端末が在圏する他のスポットに隣接するスポットが端末サーチ用ビームの送信頻度を低下する対象になった場合には、アクティブ状態の端末がビーム切り替えをする場合に備えて送信頻度を低下しないようにしてもよい。また、隣接スポットに在圏するアクティブ状態の端末が移動している場合にのみ端末サーチ用ビームの送信頻度を低下しないようにしてもよい。

さらに、セルエッジのスポットについては隣接する他の基地局のセルに属するスポットの端末の状況に応じて、端末サーチ用ビームの送信頻度を低下するか否かを判断するようにしてもよい。隣接する他の基地局のスポットにアクティブ状態の端末がいる場合には、端末サーチ用ビームの送信頻度を低下しないようにすることが考えられる。なお、隣接する他の基地局のスポットの状態は、前述のように無線基地局装置間のインタフェースで直接通信して取得したり、無線基地局装置の制御装置を経由して取得したりすることが可能である。

実施の形態２．
次に、スポットに在圏する端末の移動速度に基づいて当該スポットの端末サーチ用ビームの送信頻度を変更する例を説明する。なお、この実施の形態の無線基地局装置１０５の構成は実施の形態１と同様である。例えば、図６に示すように移動する端末３００ｂが、他の基地局からのハンドオーバーにより、スポット４０９で無線基地局装置１０５に接続し、スポット４０９からスポット４０５、スポット４０５からスポット４１１へビーム切り替えをして、今、スポット４１１において無線基地局装置１０５と通信をしているものとする。無線基地局装置１０５は無線制御装置２０１の制御によりビームトラッキングを行って端末３００ｂの移動を追尾している。

このとき、端末３００ｂがスポット４１１に在圏しているアクティブな端末の中で最も移動速度が速い端末である場合、無線基地局装置１０５はスポット４１１への端末サーチ用ビームの送信頻度を、端末３００ｂをビームトラッキングにより追尾することが可能な値に調節することにより、過度な端末サーチ用ビームの送信を抑え、他のスポットにおける通信用ビームの送信にＢＦのリソースを割り振ることが可能となる。これにより基地局のセルスループットを向上させることができる。すなわち、端末の移動への追従とセルスループットの向上を両立することが可能となる。

図７はこの実施の形態における無線制御装置２０１の制御部２０６が行う端末サーチ用ビームの送信頻度を低下する処理の一例を示すフローチャートである。図７のフローチャートはループ処理Ｌ２００とループ処理Ｌ３００を含んでいる。制御部２０６はまずＬ２００の処理により、セル内の端末を対象にして端末ごとに移動速度を算出する。Ｌ２００の内では対象とする端末のセル内でのビーム切り替えの頻度に基づいて当該端末の移動速度を算出して求め、端末ごとに記録する（Ｓ２００）。

以下、Ｓ２００の処理の具体例を前述の端末３００ｂを例に説明する。前述の通り、端末３００ｂはスポット４０９で無線基地局装置１０５に接続し、その後、スポット４０５を経由してスポット４１１にビーム切り替えを行っている。この場合の端末３００ｂの移動速度を、スポット４０９からスポット４０５へビーム切り替えを実施した時間と、スポット４０５からスポット４１１へビーム切り替えを実施した時間と、あらかじめ判明しているそれぞれのスポットのサイズから算出する。ここでスポットのサイズは端末３００ｂがビーム切り替えをしてから次のビームへビーム切り替えをするまでの距離として定義され、セルの設計時に決定される。なお、隣接するスポット間に重複する部分がある場合には重複を考慮してスポットのサイズを定めてもよい。

具体的には、スポット４０９のサイズが５０ｍであり、スポット４０９で端末３００ｂが無線基地局装置１０５に接続した後、スポット４０５にビーム切り替えするまでの時間が１８秒であったとすると、以下に示す式（２）により速度１０ｋｍ／ｈを求めることができる。また、スポット４０５のサイズが１５ｍであり、スポット４０５にビーム切り替えをしてからスポット４１１にビーム切り替えするまでの時間が５．４秒であったとすると、同様に速度１０ｋｍ／ｈを求めることができる。
距離／時間＝速度 (2)

そして、制御部２０６は求めた移動速度を端末ごとに記録する。なお、同様の計算をすることで基地局のサービスエリアのサイズとハンドオーバーの頻度から端末の移動速度を求めることも可能である。

次に、制御部２０６はセル内のセルエッジではないスポット（中間スポットと称する）のそれぞれを対象にしてＬ３００内の処理を行う。Ｌ３００の処理では、制御部２０６はまず、処理対象の中間スポットにＬ２００の処理で移動速度を記録した端末が在圏しているかを判断する（Ｓ３１０）。Ｓ３１０の処理で端末が在圏しないと判断した場合にはループを抜け、当該中間スポットに対する処理を終了し、次の中間スポットについて処理を実行する。全ての処理対象の中間スポットについて処理を完了している場合にはＬ３００の処理を終了する。

Ｓ３１０の処理で端末の在圏があった場合、制御部２０６は、処理対象の中間スポットに在圏する端末のなかで最も移動速度の速い端末を特定する（Ｓ３２０）。次に、制御部２０６はＳ３２０で特定した端末の移動を追尾できる頻度となるように参照信号の送信頻度を調整する（Ｓ３３０）。具体的には、図８のフローチャートに示す調整手順が考えられる。

まず、制御部２０６は対象端末の移動速度に基づいて上述の（１）式によってｎの値を決定する（Ｓ００１）。そして制御部２０６は、対象端末を検知するまでＬ００１のループ処理を実施する。Ｌ００１の処理では、制御部２０６はまず、Ｓ００１で決定したｎに基づいて定まる周期で参照信号を生成する（Ｓ００２）。これにより対象のスポットに端末サーチ用ビームが照射される。次に制御部２０６は対象端末が送信する端末サーチ用信号に対する応答信号、すなわち、前述のフィードバック信号、送信信号情報等を含む信号を受信する（Ｓ００３）。次に制御部２０６はＳ００３の処理によって対象端末を検知できたか否かを判断する（Ｓ００４）。Ｓ００４の処理で対象端末を検知できなかった場合にはｎの値から１を減算して更新する（Ｓ００５）。そして対象端末を検知できるまでＬ００１の処理を繰り返す。Ｓ００４の処理で対象端末を検知できた場合は、制御部２０６はＬ００１の処理から抜けて、端末サーチ用ビームの送信頻度の調整を終了する。

なお、Ｌ３００の処理において、端末の移動速度にしきい値を設けて、しきい値以上の速で移動する端末については、Ｓ３２０の処理の対象外とするようにしてもよい。これは無線基地局装置１０５がサービスを提供する端末の移動速度に上限を設けることになる。また、無線基地局装置１０５に端末の移動速度のしきい値を設ける場合、無線基地局装置１０５の設置場所に応じて異なるしきい値を設定してもよい。

なお、Ｓ３２０の処理で対象外となった端末については、当該端末の移動に追従したビームトラッキングによる端末の検知ができなくなり、通信サービスを提供することができなくなる。このような端末に対しては、他の通信方式（例えば無線基地局装置１０５が３ＧＰＰ規格の５Ｇ基地局であれば、ＬＴＥあるいはＬＴＥ−Ａの第４世代移動通信方式）のより広範囲をサービスエリアとするマクロ基地局に接続させることが考えられる。これにより、この実施の形態に係る無線基地局装置がサービスを提供する端末を低速で移動する端末に限定することができ、結果として、端末サーチ用ビームの送信頻度を低減することが可能となる。これは、セルラーシステムの基地局間での負荷分散を可能にしているということができる。

この発明の無線制御装置によれば、少なくとも１つのビームが照射される複数のスポットをサービスエリアとし、サービスエリア内の領域を複数分けて時分割でビームを照射して通信サービスを提供する無線基地局が、サービスエリア内のスポットに対する端末サーチ用ビームの送信時間を短縮し、サービスエリア内の他のスポットの通信用ビームの送信時間を増加するように制御することができるので、移動無線通信システムにおいて有用である。

１００ アレーアンテナ装置、１０１ アンテナアレー、１０２ アンテナ素子、１０３ アンテナ駆動装置、１０５無線基地局装置、１１０ サブアレーアンテナ、２０１ 無線制御装置、２０２ アンテナ調整部、２０３ 到来方向推定部、２０４ 送受信部、２０５ インタフェース部、２０６ 制御部、８０１ プロセッサ、８０２ メモリ、８０３ 送受信回路、８０５ ネットワークインタフェースカード、３００、３００ａ、３００ｂ 端末。

Claims (6)

1. 同時にはいずれか一方が照射される端末サーチ用ビームと通信用ビームとを含むビームが照射されるスポットを複数個有し、複数の前記ビームが照射され、かつ複数の前記ビームで同時にカバーされないサービスエリアに通信サービスを提供する無線基地局装置が行うビームフォーミングを制御する無線制御装置であって、
   前記無線基地局装置と通信する端末が送信する無線信号の到来方向を推定する到来方向推定部と、
   前記到来方向推定部が推定した前記到来方向に基づいて、前記スポット内にアクティブな端末が存在するか否かを判定し、アクティブな端末が存在しないと判定した場合に、前記無線基地局装置が行うビームフォーミングを制御して、当該スポットに照射される前記端末サーチ用ビームの頻度を減少させるとともに、前記サービスエリア内の他の前記スポットに照射される通信用ビームの頻度を増加させる制御部と、
   を備えることを特徴とする無線制御装置。
2. 前記制御部は、前記サービスエリア内において、他の前記スポットよりも小さい前記スポットを対象に前記端末サーチ用ビームの頻度を低下させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の無線制御装置。
3. 前記制御部は、前記端末サーチ用ビームの頻度を１／（２のｎ乗（ｎは正の整数））に減少させることを特徴とする請求項１に記載の無線制御装置。
4. 前記制御部は、アクティブな端末が存在しない前記スポットであって隣接する他の前記スポットにアクティブな端末が存在するスポットについては前記端末サーチ用ビームの頻度を低下しないことを特徴とする請求項２に記載の無線制御装置。
5. 前記制御部は、前記サービスエリア内に在圏する端末の移動速度を測定し、前記サービスエリアの境界以外にあるそれぞれの前記スポットについて、スポット内に在圏するアクティブな端末のうち最も移動速度が速い端末の移動速度に応じて前記端末サーチ用ビームの送信頻度を調整することを特徴とする請求項１に記載の無線制御装置。
6. 前記制御部は、端末の移動速度に対するしきい値が設定され、測定した前記移動速度が前記しきい値を超えない端末のなかで最も移動速度が速い端末の移動速度に応じて前記端末サーチ用ビームの送信頻度を調整することを特徴とする請求項５に記載の無線制御装置。

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