JP6658920B2 - 基地局、指向性受信方法、及び、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、基地局、指向性受信方法、及び、プログラムに関する。特に、本発明は、指向性受信を利用する移動通信システムにおける低電力ユーザ端末を発見するための基地局、指向性受信方法、及び、プログラムに関する。

移動通信システムにおいて、ユーザ端末は、実際のデータを送信する前に、初期アクセス手順を行ってネットワークとの接続を確立する。初期アクセス手順は、ネットワーク内のセルを見つけて同期を達成するステップ（セルサーチ）と、情報を受信して復号するステップ（システム情報抽出）と、接続を要求するステップ（ランダムアクセス）と、を含む。一般に、このアクセス手順は、基地局での無指向性送受信を用いて行われる。

関連技術として、特許文献１には、基地局が移動端末からの受信品質の良い複数の候補方位を決定し、かつ、移動端末が複数の候補方位の中からの最適な方位を選択する通信システムが記載されている。

特開平１１−２５２６１４号公報 国際公開第２０１３／１２２４４０号

V. Desai, L. Krzymien, P. Sartori, W. Xiao, A. Soong and A. Alkhateeb, "Initial beamforming for mmWave communications," Signals, Systems and Computers, 2014 48th Asilomar Conference on, Pacific Grove, CA, 2014, pp. 1926-1930.

モバイルネットワークは、非常に急速に進化しているので、将来の移動通信システムは、より不均質になり、様々なアプリケーション及びネットワーク要件を有する低電力ＩｏＴ（Internet of Things）装置及びセンサを含む様々なユーザ端末を備えることが予想される。これらのユーザ端末からの送信信号が図１に示すような基地局に到達できない場合、これらのユーザ端末をネットワーク内で発見することができない。

１つの可能な解決策は、ユーザ端末の送信電力が達成可能な送信範囲に直接関連するので、ユーザ端末の送信電力を増加させることである。しかしながら、低電力端末だけでなく、高速モバイル機器に対しても、より多くのバッテリ電力放出（drainage）が要求されるので、非現実的である。一方、ＩｏＴ装置及びセンサの大部分は、１つのアンテナを有し、かつ、無指向性で送信するため、これらの端末の送信アンテナゲインを大幅に増加させることはできない。この文脈において、基地局での大規模なアンテナアレイのビームフォーミングは、リンクバジェットマージンを向上させるための可能な選択肢と考えられる。指向性受信は、低電力ユーザ端末からの初期アクセス要求を受信するのに必要なアンテナ利得を提供する。しかしながら、受信領域は非常に狭い立体角に限定される。ＮＬＯＳ（Non-Line of Sight；見通し外通信環境）の場合、ビームのより大きな電子制御によりメインビームを最も強い受信方向に整合する必要がある。

したがって、低電力端末に高利得経路を提供するために、将来の基地局は、サービス領域をスキャンし、アクティブ端末を発見するために可能なすべての方向をスイープ（掃引）する指向性受信を使用する必要がある。このような技術の１つは、基地局が図２に示すように可能なすべての方向に時分割多重方式で細いビームによって送受信する網羅的サーチ（探索）アルゴリズムに基づいている。この方法は、最大のカバレッジ（受信可能範囲）を達成することができ、シンプルに実施することができる。しかしながら、この方法の主な欠点は、領域をスキャンするのに長い時間を要し、待ち時間の点でＱｏＳ（Quality of Service；サービス品質）の著しい低下を招く可能性があることである。

特許文献２では、反復スキャンを回避するフィードバックメカニズムを提案している。従来の網羅的サーチ方法を使用して各ユーザ端末に対して最良の送受信ビームを見つけた後、基地局は、システム内の各ユーザ端末に対してダウンリンク／アップリンクで最良の送受信ビームを更新する。この更新メカニズムは、周期的又は一定間隔で実行されるビームトラッキング、又は、チャネル特性及びユーザの動きに基づいている。このフィードバックメカニズムは、それらの低電力制約のために、ＩｏＴ装置又はセンサに適用できない。また、このフィードバックメカニズムは、ビーム整合（アライメント）を維持するためのフィードバックメッセージの連続的な送受信のために、高速移動端末の著しいバッテリ電力放出を招く可能性がある。さらに、高密度に配置されたユーザ端末の場合、個々の端末ごとに最良のビームを追跡することは、不必要な計算を導入し、かつ、基地局にとって実行できないシステムとなる可能性がある。したがって、フィードバックを必要とせず、かつ、端末位置又はチャネル特性上の事前情報が基地局で利用可能でない場合にも適用可能なメカニズムが当技術分野で必要とされている。

階層的ビームサーチ手順に基づくメカニズムは、非特許文献１に示されている。最初に、基地局は、より広いビーム幅を用いて信号を受信し、このサーチ手順では、前のステップで見つけられた最良の方向を用いることを繰り返して改善され、最大方向パターンが基地局で達成されるまで、より狭いビームを受信に用いている。この初期ベースの階層的サーチ手順は、高速端末の発見を提供するが、その性能は、初期段階で著しく少ないゲインのために網羅的セルサーチと比べて悪い。さらに、基地局が最初のステップの後に不正確なビームを選択する場合、基地局は、次の段階で許容可能なＳＩＮＲ（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio；信号対干渉雑音比）を有するビームを提供することができない。

上記の議論に基づいて、以前に提案された方法では、計算の複雑さの増加又は検出不能確率のいずれかを犠牲にして、初期サーチ時間を短縮している。この問題は、文献ではまだ十分に検討されていない。しかしながら、これは近い将来、通信社会にとって重要な研究課題となるだろう。

網羅的サーチ又はビームスイッチングのような従来のアプローチでは、基地局は、アクティブユーザを発見するためにすべての可能な所定の方向にわたって時分割多重方式で
狭ビームによる信号を送受信し、かつ、ユーザ端末（複数）からの初期アクセス要求を受信するのに必要な高利得経路を提供する。しかしながら、すべてのカバレッジエリアをスキャンすることは、同じ重要さを有しない。そのような場合の例は、ごくわずかなセンサがより長期間アクティブであるセンサネットワークである。別の可能な例は、ユーザ端末又はＩｏＴ装置のモビリティ領域が、いくつかの小さな領域に制約されているため、ユーザ端末又はＩｏＴ装置をゆっくり動かすことである。従来方法は、最大カバレッジと最高検出確率を提供するが、その方法の主な欠点は、全カバレッジエリア（その大部分は重要ではない）をスキャンするのに要する時間である。

それに加えて、基地局は、すべての可能な方向から信号を受信し、かつ、受信電力レベルを比較して最良のビームを決定する。したがって、最適なビームパターンを選択するには、アンテナアレイサイズに対して指数関数的に増加する多数の計算を伴う。これは、実用的なシステムでは計算量的に実行不可能である可能性がある。

さらに、特許文献１によれば、複数の候補方位から最適な方位を、基地局ではなく移動端末で選択することにより、移動端末の負荷が増大し、基地局と移動端末との間の余分な通信が必要となる。

本発明は、上記問題を解決することを目指す。したがって、本発明の目的は、重要でないスキャン領域を見つけて回避することによって、サーチ時間を短縮することである。さらに、アクティブなユーザが比較的高い確率で発見され、過剰な計算を回避できる候補領域のグループ（set）を創出することも望ましい。

本発明の第１の視点によれば、複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナと、基地局の無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するように構成された確率関数生成器であって、前記確率関数は、前記複数のユーザ端末の１つが以前のスキャンで発見された前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有する確率関数生成器と、前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするように構成されたビームスイープコントローラと、前記ビームスイープコントローラによって前記スキャンしている間に所定の閾値を有するスキャン領域からの受信電力レベルを比較するように構成された電力比較器であって、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、前記スキャン領域で前記候補領域を更新し、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記ビームスイープコントローラによるスキャンを停止する電力比較器と、を備える、基地局が提供される。
前記第１の視点に係る基地局の変形として、基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナと、前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するように構成された確率関数生成器と、前記確率関数生成器で生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするように構成されたビームスイープコントローラと、前記ビームスイープコントローラによって前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するように構成された電力比較器と、を備え、前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、前記電力比較器は、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記ビームスイープコントローラにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記ビームスイープコントローラでの前記スキャンを停止させ、前記確率関数生成器は、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、基地局が提供される。

本発明の第２の視点によれば、複数のユーザ端末から初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局の指向性受信方法であって、前記基地局の無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップであって、前記確率関数は、前記複数のユーザ端末のうちの１つが以前のスキャンで発見された前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有するステップと、前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、前記スキャンしている間に所定の閾値を有するスキャン領域からの受信電力レベルを比較するステップであって、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、前記スキャン領域で前記候補領域を更新し、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたってスキャンを停止するステップと、を含む、方法が提供される。
前記第２の視点に係る方法の変形として、基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末から初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局の指向性受信方法であって、前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップと、生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するステップと、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記スキャンするステップにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記スキャンするステップでの前記スキャンを停止させるステップと、を含み、前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、前記生成するステップにおいて、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、指向性受信方法が提供される。

本発明の第３の視点によれば、複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局に設けられたコンピュータに実行させるプログラムであって、前記基地局の無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップであって、前記確率関数は、前記複数のユーザ端末のうちの１つが以前のスキャンで発見された候補領域でピークを有するステップと、前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、前記スキャンしている間に所定の閾値を有するスキャン領域からの受信電力レベルを比較するステップであって、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、前記スキャン領域で前記候補領域を更新し、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたってスキャンを停止するステップと、を実行させる、プログラムが提供される。
前記第３の視点に係るプログラムの変形として、基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局に設けられたコンピュータに実行させるプログラムであって、前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップと、生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するステップと、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記スキャンするステップにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記スキャンするステップでの前記スキャンを停止させるステップと、を実行させ、前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、前記生成するステップにおいて、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、プログラムが提供される。

本発明の基地局、指向性受信方法、及び、プログラムによれば、重要でないスキャン領域を見つけて回避することによって、サーチ時間を短縮することができる。

基地局と複数のユーザ端末とを備える関連技術に係る移動通信システム。 基地局で指向性送受信を行う関連技術に係る移動通信システム。 関連技術に係る基地局でのビームフォーミング動作。 関連技術に係る指向性送受信機能を有する基地局の動作を示す例示的フローチャート。 指向性送受信機能を有する関連技術に係る基地局のブロック図の一例。 本発明の第１実施形態に係る基地局のブロック図の一例。 本発明の第１実施形態に係る基地局の動作を示すフローチャートの一例。 本発明の第１実施形態に係る基地局における確率関数生成器の動作の一例。 本発明の第１実施形態に係る基地局における確率関数生成器の動作の一例。 本発明の第１実施形態による基地局における確率関数生成器の動作の一例。 本発明の第１実施形態による基地局における確率関数生成器の動作の一例。

本発明の一実施形態に係る通信システムは、互いに通信を行う、基地局と、複数のユーザ端末とを備える。より具体的には、通信システムは、同じ検出確率を維持し、かつ、システムパフォーマンスを改善しつつ、サーチ時間を減少し、かつ、計算の複雑性を低減するために、無線カバレッジエリアから候補スキャン領域のグループ（set）を創出することによって初期サーチ手順を改善することを目指す。

本発明は、少なくとも１つの基地局と複数のユーザ端末とを備える移動通信システムにおける基地局のための方法を提供する。基地局は、複数のユーザが一度にサービスされることを可能にするデジタルビームフォーミング機能を備えたアンテナアレイシステムを含む。ユーザの密度及び位置に関する事前の知識がないと仮定して、我々が提案する方法は、均一な（ないし等しい；uniform）確率関数、すなわちカバレッジエリア内のアクティブユーザを見つける確率が等しくなる確率を考慮して開始する。すべての領域が当初は等しい確率でアクティブユーザを有すると仮定するので、基地局はランダム／固定の開始点を選択し、全カバレッジエリアを順次スキャンする。これは従来の逐次スキャン法による網羅的サーチに等しい。１回の完遂（完了）スキャンの後、基地局は、以前のスキャンにおいて受信電力レベルが比較的高い領域にわたる確率関数を最大化（maximizing）することによって候補セクタ（candidate sectors）を定義する。確率関数は、図８Ｂに示すように、１つの候補セクタ（又は領域）におけるピークをもって対称的に減少し、かつ、該候補セクタからの距離の増加と共に減少する、と仮定される。次の反復において、ランダム／固定の開始点の代わりに、基地局は、確率値が大きい順（降順）にジグザグ様式で候補スキャン領域からスキャンを開始する。冗長スキャンを回避し、計算の複雑さを低減するために、アクティブ端末が発見された場合、基地局はさらなるスキャンを停止する。反復的に、新しい確率関数が、ピークを、次の反復のためのサーチ時間を減少するためにアクティブなユーザが発見された新しい位置にシフトすることによって、定義される。

本実施形態によれば、アクティブなユーザ端末を発見するために必要な最初のサーチ時間を短縮することができる。この有益な効果は、以前に検出されたアクティブユーザの位置にピークを有する不等確率分布関数を考慮することによって提供され、当該関数は距離と共に対称的に減少し、より小さな確率で重要でない領域をスキャンすることを避ける。一方、ランダム／固定の開始点、及び、順次スキャンの代わりに、ユーザ端末が以前に発見された領域で開始点を選択し、かつ、確率の高い順にスキャンすることによって、移動度の低い端末を有するセンサネットワークにおけるサーチ時間をさらに短縮することができる。その理由は、これらの端末のほとんどが低速で移動しており、限られた地域内に存在するからである。さらに、我々が提案した手法は、比較的小さな領域でスキャンを行うため、従来の手法に比べて計算の複雑さを軽減し、アクティブなユーザ端末が発見された場合にはスキャンを停止する。対照的に、従来の方法では、すべての所定の方向からの受信電力レベルを比較し、これは、重要ではないスキャン、及び、より多くの計算を必要とする。最後に、初期スキャン後にカバレッジエリアでアクティブユーザが検出されなかった極端な場合を考えてみる。この場合、我々が提案した手法の性能は、カバレッジエリアが同じ確率分布関数を維持し、かつ、従来の網羅的サーチ方法と同等であるランダム／固定の開始点を用いて順次スキャンするため、従来の網羅的サーチ方法の性能と同等である。しかしながら、他のすべてのケースでは、我々が提案する方法は、サーチ時間を改善し、複雑さを軽減する。

本発明及びその利点は、例示的な図面に付随する実施形態の以下の説明の助けによりさらに理解することができる。以下の説明では、移動通信システムへの適用を考慮して実施形態を構成する。なお、この例のモバイルシステムを想定する理由は、図示を簡略化するためである。しかしながら、本発明は、初期アクセス手順のために指向性の送受信を用いる任意の無線通信システムに適用することができる。初期アクセスメッセージの正確な構造は、本発明の範囲ではない。むしろ、ここではアクセス手順に焦点を当てている。

移動通信システムでは、指向性送受信は、リーチエリアを特定の方向に集中し、かつ、それによって通信のための高利得経路を提供することによって、リンクバジェットマージン（link budget margin）を増加させるために、一般的に用いられる。しかしながら、この方法の主な欠点は、送受信エリアが非常に小さい立体角に限定され、その結果、カバレッジエリアを順次スキャンするために遅延が大きくなり、最良の送受信ビームを整合（align）させるために過剰な計算が生じることである。

まず、本発明の説明について我々の議論を通して共通して使用される移動通信システム及び基地局を説明する。図１は、基地局１と、基地局の無線カバレッジエリア１１に位置する複数のユーザ端末２と、を備える関連技術による移動通信システムの一例を示す。移動通信システムにおいて、基地局１は、ユーザ端末２との通信のために等方性ないし無指向性送受信１２を考慮する。具体的には、基地局１でビームフォーミングを行わずに、初期アクセス手順及び基準（参照）信号のすべてを送受信する。しかしながら、スマート機器や多様なアプリケーションの進化に伴い、低電力のＩｏＴ（Internet of Things）機器やセンサなどの多種多様なユーザ端末もモバイルネットワークに参加している。これらの端末から送信されたアップリンク信号２１は、図１に示されるように、それらの送信電力が限られているために、基地局１に到達しないことがある。

基地局１Ａでアンテナアレイシステム１５を使用する指向性送受信１３は、低電力のアップリンク信号２１を受信するのに必要なゲインを提供するための可能な選択肢の１つである。図２は、基地局１Ａで適用された指向性送受信１３を有する移動通信システムを示す。基地局１Ａは、１つ又は複数のユーザ端末２をサポートするために、セクタごとに１つ又は複数のアクティブビームを生成することができるものと仮定する。具体的には、基地局１Ａは、同じ周波数及び時間ドメイン無線リソースで複数のユーザ端末２と通信することができる。

図３は、基地局１Ａが、送受信ビーム１４Ｂをスイープしながら、同時に、又は、時差をつけて、異なる方向に同時に（simultaneously）１つ以上のアクティブ送受信ビーム１４Ａを形成する場合の例を示す。例えば、基地局１Ａは、Ｎ個の時間ユニット（送受信ビーム１４Ｂ）（Ｎは正の整数）に対してＮ個の異なる方向にＮ個のアクティブ送受信ビーム１４Ａを生成する。別の場合、基地局１Ａは、一度に１つのアクティブビームのみを有するＮ個の時間ユニット（送受信ビーム１４Ｂ）を使用するＮ個の異なる方向にＮ個のアクティブ送受信ビーム１４Ａを順次生成する。あるいは、ハイブリッドの場合、複数のアクティブ送受信ビーム１４Ａが生成され、Ｎ個の方向にてＮ個未満の時間ユニットでスキャンされる。

図４は、アンテナアレイシステム１５と、アンテナアレイ処理回路１７と、デジタル信号プロセッサ１８と、信号検出器１９と、記憶装置１１０と、電力比較器１１１と、候補ビーム選択器１１２と、ビームフォーミングコントローラ１１３と、ビームスイープコントローラ１１４と、を備える基地局１Ａのブロック図の一例を示す。アンテナアレイシステム１５は、ユーザ端末２からのアップリンク信号を受信し、かつ、ダウンリンクでプリコーディングされたユーザデータを送信するためにも使用されるＮ個のアンテナ素子を含む。各アンテナ素子は、それぞれの遅延線に接続され、アンテナ素子間に適切な位相シフトを導入することによって、ビームフォーミングコントローラ１１３及びビームスイープコントローラ１１４によってデジタル制御可能である。ビームフォーミングコントローラ１１３は、図３を参照して説明したすべての技術を実施する。ビームフォーミングコントローラ１１３及びビームスイープコントローラ１１４は、それぞれ、ビームの細分化及び順次セクタスイープを制御する。Ｎ個のアンテナは、エンコーダ、変調器、アナログ／デジタル変換部などのすべての構成を含むアンテナアレイ処理回路１７を共有する。デジタル信号プロセッサ１８は、ベースバンド信号を再構成し、続いて信号検出器１９によって受信電力レベルを評価（estimate）するために用いられる。電力比較器１１１は、すべての所定の方向からの受信電力レベルを比較する。候補ビーム選択器１１２は、電力比較器１１１の比較結果に基づいて、データ送信のための最適なビームを見つける。候補ビーム選択器１１２は、すべてのアップリンク／ダウンリンクデータ送信用の候補ビームとして最も高い受信電力レベルを有するビームを定義する。

図５は、基地局１Ａの動作の例を示す。基地局１Ａは、網羅的サーチ手順を行う。まず、基地局１Ａは、カバレッジエリアをスキャンし、アップリンク信号を受信する（ステップＳ１１０１）。次に、基地局１Ａは、全ての受信信号の電力レベルを比較し（ステップＳ１１０２）、データ送受信に最適なビームを見つける（ステップＳ１１０３）。基地局１Ａは、受信電力レベルが最も高いビームを選択し、ユーザ端末（ユーザ端末）との実際の通信を開始する。

関連技術に係る移動通信システムの上記説明に基づいて、本発明の実施形態に特有の事項について、以下、説明する。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態に係る移動通信システム及び当該移動通信システムにおける方法について図面を参照して説明する。

移動通信システムは、指向性送受信のためのアンテナアレイシステム１５を用いた基地局１Ｂと、ユーザ端末２としての複数の低電力ＩｏＴ（Internet of Things）装置又はセンサと、を含む。ユーザ端末２は、１つ又は複数のアンテナ素子を備えて設計され、それゆえに信号の全指向性送受信のみをサポートし、コスト及び複雑さを回避する。一般に、センサ及びＩｏＴ装置は非常に高密度に配置されているが、これらの端末のうちのいくつかだけは、比較的長期間にわたっていつでもアクティブである。しかしながら、本発明は、アクティブ端末の数が少ない場合に限定されない。本発明は、移動通信システムにおける任意の数のアクティブ端末にも適用することができる。通常、ほとんどの用途では、ＩｏＴ装置又はセンサは、静止しているか、比較的限られた小さなエリア内で移動する。しかしながら、本発明は、これらのタイプの端末に限定されない。ＩｏＴ装置及びセンサは、一般に、サイズが非常に小さく、非常に長い期間にわたり作動するものとして設計される。したがって、送信電力は、全体の寿命を延ばすために、数ミリワットに抑えられている。これらの低電力端末を発見し、かつ、それらにサービスを提供するためには、基地局に対して高度な指向性経路が必要である。この必要性を満たすために、基地局のアンテナアレイシステムが採用される。以下では、第１実施形態の詳細を、図６、図７及び図８Ａ〜図８Ｄを参照して説明する。

図６は、追加の特徴及び機能を有する本実施形態における基地局１Ｂのブロック図を示す。図６を参照すると、本実施形態における基地局１Ｂは、確率関数生成器１１５をさらに備える。ブロック１５、１７、１８、１９、及び１１２の動作の詳細については、上述されている。したがって、これらのユニットの説明は、ここでは簡潔にするために省略する。

関連技術では、基地局１Ａは全ての所定の方向から信号を受信し、電力比較器１１１は受信電力レベル（複数）を比較して最良のビームを決定し、かつ、データ送信のための接続を確立する。このプロセスは、冗長スキャンをもたらすだけでなく、電力レベルを比較し、かつ、データの最良方向を決定するための、不必要な計算、及び、記憶装置１１０をももたらす。計算の複雑さを低減し、かつ、システム性能を改善するために、我々は、電力比較器１１１’において、各受信方向からの受信電力レベル（スキャン領域からの受信電力レベル）が所定の閾値と比較される第１ビームサーチアルゴリズムを提案する。具体的には、基地局１Ｂは、各受信方向からの受信電力レベル（スキャン領域からの受信電力レベル）を所定の閾値と比較する。受信電力レベルが所定の閾値未満である場合、基地局１Ｂは、次のビームに切り替えて（更新して）隣接領域（隣接するスキャン領域）をスキャンする。そうでない場合、基地局１Ｂはさらなるスキャンを停止し、閾値の要求を満たす第１ビームを用いてデータ送信を開始する。また、記憶装置１１０’は、ループスキャンを回避し、かつ、スキャン後に候補領域の更新（スキャン領域で候補領域を更新）を可能にするための、忘却機能を備えている。確率関数生成器１１５は、基地局１Ｂの無線カバレッジエリアをスキャンするための異なる優先度を設定する。より具体的には、確率関数生成器１１５は、アクティブ端末が以前のスキャンで発見された位置でピークを有する指数関数的又は線形的に減少する確率関数を定義する。ビームスイープコントローラ１１４’は、ビームフォーミングセット（set）をどのように分割すべきかを計算し、かつ、スキャンの開始位置を決定する。順次ビームスイープの代わりに、ビームスイープコントローラ１１４’は、確率の高い順にジグザグ様式でスキャンを行う。

図７は、基地局１Ｂの動作の一例を示す。最初に、基地局１Ｂは、図４を参照して上述した従来の網羅的サーチと同様の手順を行う。基地局１Ｂは、全方向からアップリンク信号を受信するために順次スキャンを行い（ステップＳ１１０１）、受信電力レベルを比較し（ステップＳ１１０２）、受信信号電力レベルが最も高い最良ビームを発見する（ステップＳ１１０３）。基地局１Ｂは、各セクタにおいて１つ以上のアクティブビームを生成することができ、図３を参照して先に説明したように、複数のタイムスロットを用いた順次ビームスイッチングによってスキャンを行う。具体的には、アクティブ端末を見つける確率は、基地局１Ｂの無線カバレッジエリア１１において最初は一定であると仮定される。基地局１Ｂは、固定／ランダムな初期点からスキャンを開始し、従来の網羅的サーチ方法と同様に、各時間スロットにおいて隣接領域に順次移動することにより、カバレッジ領域のスキャンを完了する。

１回の完遂（完了）スキャンの後、基地局１Ｂは、受信電力レベルに基づいて各アクティブビームについてその確率関数を更新（update）する（ステップＳ１１０４）。基地局１Ｂは、アクティブ端末が以前に発見された（１つの）領域の確率を最大化することによって、各アクティブビームの候補領域を定義する。

第２回目以降、予め定められた固定又はランダムの開始点を選択して網羅的サーチ動作を行う代わりに、基地局１Ｂは、前回のスキャンで得られた確率の値に基づいて領域をスキャンする。すなわち、基地局１Ｂは、最も高い確率の領域からスキャンを開始し、確率値の大きい順（降順）にスキャンする（ステップＳ１２０２）。

冗長な計算を回避して複雑さを軽減するために、アップリンク受信信号の電力レベルが所定の閾値よりも大きい場合（ステップＳ１２０３のＹｅｓ）、換言すると、アクティブ端末が発見された場合、基地局１Ｂは、さらなるスキャンを停止する（ステップＳ１２０４）。基地局１Ｂは、ピークを新しい位置にシフトさせることによって各アクティブビーム用の確率関数を更新し（ステップＳ１１０４）、これは次のスキャンのために反復して続く。

具体的には、確率関数生成器１１５の全プロセス及び動作は、以下の例の助けを借り、かつ、図８Ａ〜８Ｄを参照して理解され得る。

例として、以下のシステム構成を想定する。
単純化のために、基地局は、基地局の無線カバレッジエリア内に唯一のアクティブビームと７つのスキャン領域のみ持つ。
基地局の無線カバレッジエリアには２つのアクティブなユーザ端末２−１、２−２が存在する。
ユーザ端末２−１、２−２は、信号の無指向性（全方位性）送受信のみサポートする。
ユーザ端末２−１、２−２の位置及び密度についての事前の知識は、基地局では利用可能でない。
少なくとも１つのユーザ端末は、各ビームによって一度にサービスされる。
ユーザ端末２−１、２−２からのアップリンク受信信号は、基地局で常に所定の閾値の要件を満たす（すなわち、受信信号の電力レベルが所定の閾値よりも大きい）。

ユーザ位置及びユーザ密度に関する事前知識が基地局１Ｂで利用可能でないので、我々が提案する方法は、アクティブ端末を見つけるための確率関数が基地局１Ｂの無線カバレッジエリア内に一様に分布すると仮定することによってスキャンを開始する。この場合、各スキャン領域は、等しい確率、すなわち図８Ａに示すように１／７を有する。また、基地局１Ｂは、一時点（at a time）に１つのアクティブビームを有すると仮定しているので、基地局１Ｂは、７つの時間ユニットを用いた順次ビームスイッチングによって７つの領域をスキャンする。受信電力レベルが最も高いセクタ（領域）は、７方向全てからの受信電力レベルを比較した後（図７のステップＳ１１０２）、候補セクタ（領域）を定義する（ステップＳ１１０３）。この動作は、従来の網羅的サーチ方法と同等である。

ケース１：ユーザ端末の移動
ケース１として、ユーザ端末２−１、２−２の両方が固定でなく、アップリンク信号を送信する場合を考える。この場合、ユーザ端末２−１から受信した信号の電力レベルは、ユーザ端末２−２から受信した信号の電力レベルよりも相対的に高いものとする。

確率関数生成器１１５は、前のスキャンの結果に基づいて確率分布を更新する。確率関数生成器１１５は、不均一確率関数を定義する。具体的には、確率関数生成器１１５は、候補領域でピーク値を有する対称性の線形的又は指数関数的に減少する関数（ガウス関数など）を生成し、この関数は図８Ｂに示すように候補領域からの距離が増加するにつれて減少する。次回の反復においては（図７のステップＳ１２０１のＮｏ）、基地局１Ｂは、確率値に基づいてスキャンを行う。すなわち、基地局１Ｂは、候補領域からスキャンを開始し、受信電力が閾値よりも大きくなるまで（大きい間）、図８Ｃに示すように、ジグザグに確率値の大きい順にスキャンする（図７のステップＳ１２０３のＹｅｓ）。一般に、ユーザ端末を移動させる場合、アクティブ端末が以前に発見された候補領域の近傍にアクティブユーザ端末を見つけることができる可能性が高い。反復的に、各スキャンの後、確率関数生成器１１５は、冗長なスキャン及び計算を避けるために、同じ方法で確率値を更新する（図７のステップＳ１１０４）。

ケース２：静止したユーザ端末の択一的（交互）送信
ケース２として、ユーザ端末２−１、２−２の両方が静止しており、アップリンク信号を順番に交互に送信する場合を考える。すなわち、第１ユーザ端末２−１は、第２ユーザ端末２−２がその順番を待つ間に送信し、その逆も同様である。

最初の網羅的スキャンの後、基地局１Ｂは、ユーザ端末２−２から受信した信号電力がゼロのまま、ユーザ端末２−１からの信号電力のみを受信する。確率関数生成器１１５は、図８Ｂを参照して上述したように、確率分布を更新する。ユーザ端末２−１、２−２は、このケースでは交互に送信するので、２回目のスキャン反復では、ユーザ端末２−２のみがアップリンク信号を送信する。しかしながら、基地局１Ｂで、ユーザ端末２−２の正確な位置情報が分からない又は利用可能でないため、基地局１Ｂは受信ビームを直接操作することができない。したがって、基地局１Ｂは、確率値に基づいてスキャンを行う。具体的には、基地局１Ｂは、図８Ｃに示すように、確率値が最も高い領域から開始し、ジグザグ状に確率の高い順にスキャンし（図７のステップＳ１２０２）、受信アップリンクリンク電力が閾値の要求を満たす場合（図７のステップＳ１２０３のＹｅｓ）、さらにスキャンを停止する（ステップＳ１２０４）。基地局２−１、２−２が静止し、かつ、交互に送信するため、基地局２−１、２−２は、１つのユーザ端末に対してそれぞれ２つの等しいピークを持つ新たな確率関数を定義し、図８Ｄに示すように候補領域からの距離が増加するにつれ対称的に減少し、すべての中間冗長スキャンを回避する。記憶装置１１０’には忘却機能が採用されている。すなわち、記憶装置１１０’は、各ユーザ端末に向かって受信ビームを揃えるための時間情報を記憶し、ユーザ端末が何らかの所定の期間にわたって送信しない場合に発生する可能性があるループスキャンを回避する。

説明を簡単にするために、上記の例では、いくつかのスキャン領域と２つのユーザ端末とを有する１つのアクティブビームを仮定している。しかしながら、本発明は、Ｎ個のアクティブビーム（Ｎ：正の整数）と、初期アクセス手順のためにアップリンク信号を同時に送信する複数のユーザ端末と、を有するシステムに適用することができる。

上記の第１実施形態の説明に基づいて、スキャン領域をソートすることにより、基地局の無線カバレッジエリアの低電力アクティブ端末を発見するために必要とされる初期サーチ時間を低減できると結論付けることができる。具体的には、基地局は、アクティブ端末が前回のスキャンで発見された候補領域でピーク値を有する不等確率分布関数を定義し、当該関数は当該候補領域から距離が増加するにつれて線形的／指数関数的に減少する。次のスキャンは、冗長スキャンを避けるために、確率値の大きい順に行われる。さらに、第１ベストビームサーチコンセプトは、余分な複雑さを回避することができ、閾値の要件を満たす第１ベストビームを選択することによって、スキャン時間及び計算を低減することもできる。本発明は、逐次スキャンによって得られた電力レベルを比較し、かつ、次にデータ送信用のベストビームを定義する際に従来必要とされていた計算の複雑さ及び初期サーチ時間の大幅な減少もたらす。

なお、上記実施形態は、プログラム、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェア資源、基地局に設けられたコンピュータのメモリによって実現されてもよい。すなわち、プログラムは、図６で説明したように、ユニット（又はモジュール）の少なくとも一部によって行われる上記処理をコンピュータに実行させることができる。

上記特許文献及び非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらに本発明の基本的技術思想に基づいて、本発明の実施形態の変更及び調整が可能である。本発明の請求の範囲の枠内において開示された様々な要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全体的な開示及び技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に開示される数値範囲については、明記がなくとも開示された範囲内に入る任意の中間値又は小範囲も具体的に開示されているものと解釈されるべきである。

１、１Ａ、１Ｂ基地局
２、２−１、２−２ ユーザ端末
１１ 無線カバレッジエリア
１２ 無指向性送受信
１３ 指向性送受信
１４Ａ アクティブ送受信ビーム
１４Ｂ 送受信ビーム
１５ アンテナアレイシステム
１７ アンテナアレイ処理回路
１８ デジタル信号プロセッサ
１９ 信号検出器
２１ アップリンク信号
１１０、１１０’ 記憶装置
１１１、１１１’ 電力比較器
１１２ 候補ビーム選択器
１１３、１１３’ ビームフォーミングコントローラ
１１４、１１４’ ビームスイープコントローラ
１１５ 確率関数生成器

Claims (7)

1. 基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナと、
   前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するように構成された確率関数生成器と、
   前記確率関数生成器で生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするように構成されたビームスイープコントローラと、
   前記ビームスイープコントローラによって前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するように構成された電力比較器と、
   を備え、
   前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、
   前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、
   前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、
   前記電力比較器は、前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記ビームスイープコントローラにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記ビームスイープコントローラでの前記スキャンを停止させ、
   前記確率関数生成器は、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、
   前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、
   基地局。
2. 前記確率関数生成器は、対称性を有し、かつ、前記候補領域からの距離が増加するにつれて、直線的又は指数関数的に減少するように、前記確率関数を生成する、
   請求項１記載の基地局。
3. 前記確率関数生成器は、前記複数のユーザ端末のうち２以上のユーザ端末が以前のスキャンで発見された複数の候補領域にそれぞれ対応する複数のピークを有する前記確率関数を生成する、
   請求項１又は２記載の基地局。
4. 基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末から初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局の指向性受信方法であって、
   前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップと、
   生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、
   前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するステップと、
   前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記スキャンするステップにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記スキャンするステップでの前記スキャンを停止させるステップと、
   を含み、
   前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、
   前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、
   前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、
   前記生成するステップにおいて、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、
   前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、
   指向性受信方法。
5. 前記生成するステップにおいて、対称性を有し、かつ、前記候補領域からの距離が増加するにつれて、直線的又は指数関数的に減少するように、前記確率関数を生成する、
   請求項４記載の指向性受信方法。
6. 前記複数のユーザ端末のうち２以上のユーザ端末が以前のスキャンで発見された、複数の候補領域にそれぞれ対応する複数のピークを有する、確率関数を生成するステップをさらに含む、
   請求項４又は５記載の指向性受信方法。
7. 基地局の無線カバレッジエリアに位置する複数のユーザ端末からの初期アクセス要求の指向性受信を行うように構成された複数のアンテナを含む基地局に設けられたコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記無線カバレッジエリア内の複数の領域の確率関数を生成するステップと、
   生成された前記複数の領域の前記確率関数によって与えられた確率の高い順に前記複数の領域をスキャンするステップと、
   前記スキャンしている間にスキャン領域からの受信電力レベルを所定の閾値と比較するステップと、
   前記スキャン領域からの前記受信電力レベルが前記所定の閾値より大きい場合に、ピークを新しい位置にシフトさせることによって前記スキャンするステップにおける前記確率関数を更新させ、かつ、前記複数の領域の残りの部分にわたって前記スキャンするステップでの前記スキャンを停止させるステップと、
   を実行させ、
   前記複数の領域は、前記複数のユーザ端末の１つが以前の前記スキャンで発見された領域であり、
   前記確率関数は、前記複数の領域のうちの候補領域でピークを有し、
   前記受信電力レベルは、前記アンテナで初期アクセス要求の指向性受信を行ったときの、前記スキャン領域に対応する電力レベルであり、
   前記生成するステップにおいて、前記受信電力レベルに基づいて前記複数の領域の前記確率関数を生成し、
   前記候補領域は、前記受信電力レベルが最も高い領域である、
   プログラム。

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