JP7482097B2

JP7482097B2 - ビームを形成して基地局装置と端末装置との間の通信の中継を行う中継装置、制御方法、及びプログラム

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Publication number: JP7482097B2
Application number: JP2021151193A
Authority: JP
Inventors: 昌也柴山; 理一郎流田; 一浩五水井; 龍司小林
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2024-05-13
Anticipated expiration: 2041-09-16
Also published as: JP2023043516A

Description

本発明は、ユーザデータの復号処理を伴わずに無線信号を中継する中継伝送技術に関する。

モバイル通信において、通信可能なエリアを拡大するために、無線レピータが用いられている。無線レピータは、受信した信号を増幅して（必要に応じて周波数変換して）送出することにより、例えば基地局装置が送信した信号を、より遠方やビル陰などの電波が届きにくいエリアに到達させることができる。なお、ビル陰などのエリアに対しては、無線レピータに代えて反射板を用いることもできる。

基地局装置は、一般的に、複数のビームを形成して、エリア内の端末装置に対して十分に高速な通信サービスを提供するように構成されうる。この場合、無線レピータは、基地局装置によって形成された複数のビームのうちのいずれかで送信される信号を受信して送出する。一方、この場合に、無線レピータが無指向性アンテナで中継を行うと、中継による利得が不十分であることにより、エリア拡張効果が不十分になりうる。このため、無線レピータがそれぞれ異なる方向に向けられた複数のビームを形成して信号を中継することが想定される。また、反射板を用いる場合も、どの方向に信号を反射させるかを適切に設定することが重要となる。なお、反射板は、物理的な向きを変更することによって信号を反射させる方向を変更することができるが、メタマテリアル反射板（非特許文献１参照）を用いることにより、物理的な向きを変更せずに、様々な方向に電波を反射させることができる。

Shimin Gong, et al.、「Toward Smart Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces: A Contemporary Survey」、IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS、VOL. 22、NO. 4、2020年

上述のような、無線レピータや反射板が様々な方向に電波を出力することができる場合、無線レピータや反射板などの、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置が、端末装置の通信の中継に適したビームを特定して使用することが重要である。

本発明は、ユーザデータの復号処理を行わない中継装置において基地局装置と端末装置との通信の中継に使用するビームを特定可能とする技術を提供する。

本発明の一態様による中継装置は、基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置であって、前記端末装置からの所定の信号を測定しながら、当該所定の信号が到来する方向に向けてビーム幅を狭める制御を実行することにより、前記端末装置に向けられるビームを決定する決定手段と、前記基地局装置または前記端末装置によって送信された信号を、ユーザデータの復号を行わずに前記ビームを用いて中継する中継手段と、を有する。

本発明によれば、反射板の電波反射方向の設定を簡素化することができる。

無線通信システムの構成例を示す図である。中継装置のビーム決定方法を概説する図である。中継装置の構成例を示す図である。中継装置によって実行される処理の流れの例を示す図である。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうち二つ以上の特徴は任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（通信システムの構成）
図１に、本実施形態に係る無線通信システムの構成例を示す。本無線通信システムは、基地局装置１０１と端末装置１４１及び端末装置１４２との間の通信を中継装置１２１が中継する中継通信システムである。本無線通信システムは、中継装置１２１が、基地局装置１０１から送信されて自装置へ到来した信号を端末装置１４１又は端末装置１４２へ中継し、また、端末装置１４１又は端末装置１４２から送信されて自装置へ到来した信号を基地局装置１０１へ中継する無線中継伝送システムである。なお、中継装置１２１は、端末装置１４１及び端末装置１４２に向けてビーム１３１及びビーム１３２を形成して中継伝送を行う。なお、中継装置１２１は、一例において、無線レピータであり、受信した信号を増幅して出力するように構成される。この場合、中継装置１２１は、例えば複数のアンテナを用いて、ビーム１３１及びビーム１３２を形成し、そのビームを用いて中継を行うように構成されうる。また、別の例において、中継装置１２１は反射板でありうる。中継装置１２１は、例えば、物理的に向きを変更してビーム１３１の方向又はビーム１３２の方向に電波を反射出力するように構成されうる。また、中継装置１２１は、メタマテリアル反射板であってもよい。メタマテリアル反射板は、例えば、多数の受動素子がアレイ状に配置され、その多数の受動素子を同時に位相制御することにより又は導体パターンや誘電率を調整することにより、反射板の物理的な姿勢制御を行わずに、入射された電波を任意の方向に反射させることができるようにした反射板である。詳細については非特許文献１に記載されているため、ここでの説明については省略する。中継装置１２１が反射板である場合、入射された信号の増幅は行われない。

中継装置１２１は、基地局装置１０１と端末装置１４１及び端末装置１４２との間の信号を、ユーザデータの復号処理を行わずに転送するに過ぎず、このため、基地局装置１０１と端末装置１４１及び端末装置１４２は、相互に直接接続している場合と同じ通信処理を行う。

上述のように、本実施形態では、中継装置１２１は、端末装置１４１及び端末装置１４２の方向に向けて、それぞれビーム１３１及びビーム１３２を形成する。このとき、ビームが適切に形成されていないと、端末装置１４１及び端末装置１４２に対して十分な無線品質での通信サービスを提供することができないことが想定される。このため、本実施形態では、中継装置１２１が、通信の中継対象とする端末装置１４１及び端末装置１４２に向けて適切にビームを形成するための手法を提供する。

このようなビームの形成のため、本実施形態の中継装置１２１は、端末装置１４１や端末装置１４２から送出された所定の信号の無線品質（例えば受信電力、信号対雑音比（ＳＮＲ）、信号対雑音及び干渉比（ＳＩＮＲ））を測定する機能を有する。なお、所定の信号は、例えば、端末装置１４１及び端末装置１４２から定期的に送信される復調参照信号（ＤＭＲＳ）でありうるが、無線品質を特定可能な任意の他の信号であってもよい。中継装置１２１は、例えば、基地局装置１０１から端末装置１４１及び端末装置１４２の情報を取得する。例えば、中継装置１２１は、端末装置１４１及び端末装置１４２が所定の信号（例えばＤＭＲＳ）を送信する際に用いるリソースなどの情報を、基地局装置１０１から送出された信号に基づいて特定し、記憶しうる。中継装置１２１は、例えば、基地局装置１０１から送出されたマスタインフォメーションブロック（ＭＩＢ）、システムインフォメーションブロック（ＳＩＢ）、及び、無線リソース制御（ＲＲＣ）メッセージを復号することにより、端末装置１４１及び端末装置１４２の情報を取得しうる。中継装置１２１は、所定の信号の測定を行いながら、その所定の信号を受信する際に用いるビーム幅を狭める制御を実行し、無線品質が良好な方向に向けて十分に狭いビーム幅のビームを向けるようにする。これにより、端末装置１４１や端末装置１４２からの所定の信号が到来する方向にビームを向けることができ、そのビームを用いて効果的な中継伝送を行うことが可能となる。

一例において、中継装置１２１は、例えば、図２のようにして、ビーム幅を狭める制御を実行しうる。例えば、中継装置１２１は、図２の（Ａ）に示すように、初期的に、形成可能なビームの最大の角度範囲（例えば１８０°）を２つに分割して、分割後の角度範囲にそれぞれが対応する２つのビーム２０１及びビーム２０２を、例えば時間的に切り替えて形成する。そして、中継装置１２１は、ビーム２０１及びビーム２０２のそれぞれにおいて、端末装置１４１からの所定の信号を測定する。この処理によれば、２つのビームのうちのいずれかにおいて、相対的に良好な無線品質の測定値を得ることができる。そして、中継装置１２１は、相対的に良好な無線品質の測定値が得られたビームとして、ビーム２０２を選択する。そして、中継装置１２１は、さらに、その選択によって特定されたビーム２０２の角度範囲を２つに分割して、分割後の角度範囲にそれぞれが対応する２つのビーム２１１及びビーム２１２を形成する。そして、同様に、ビーム２１１及びビーム２１２を用いて端末装置１４１からの所定の信号を測定し、その無線品質の測定値が相対的に良好なビームを選択する。ここでは、中継装置１２１は、ビーム２１１を選択する。そして、中継装置１２１は、そのビーム２１１の角度範囲をさらに２つに分割して、分割後の角度範囲にそれぞれ対応するビーム２２１及びビーム２２２を形成して、さらに測定を継続する。中継装置１２１は、このような処理を繰り返し実行して、それにより、例えば、最も狭いビーム幅のビームが形成された場合など、それ以上狭いビーム幅を設定できない場合に、ビーム幅を狭める制御を停止する。また、中継装置１２１は、例えば、ビーム幅が所定のビーム幅より狭くなった場合に、ビーム幅を狭める制御を停止してもよい。すなわち、十分な利得が得られる状態となったことに応じて、ビーム幅を狭める制御を停止することができればよく、その基準は必ずしも一意に定まらなくてもよい。そして、中継装置１２１は、その停止時に特定していたビームで端末装置１４１の通信を中継するようにしうる。なお、端末装置１４２に対しても同様の処理が行われ、対応するビームが形成されうる。

なお、図２は一例であり、例えば、分割後のビームは、相互に重複する角度範囲に対応してもよい。すなわち、図２に示す各ビームより、所定の角度だけ広いビーム幅を有するビームが用いられてもよい。例えば、ビーム２０１とビーム２０２は、それぞれ１００°の角度範囲に対応するビームとして形成され、その角度範囲の端部の２０°の範囲において重複するように設定されてもよい。また、中継装置１２１は、例えば、良好な無線品質の測定値が得られたビームの角度範囲を３つ以上に分割して、その分割された角度範囲に対応する３つ以上のビームを用いて、その後の測定を行うようにしてもよい。なお、３つ以上のビームが形成された場合、そのうちの一部（２つ以上）が選択されるようにしてもよい。その後、選択された一部のビームに対応する角度範囲がさらに分割され、同様にビームの選択が繰り返されうる。例えば、良好な無線品質の測定値が得られたビームの角度範囲を５つに分割し、その５つの角度範囲にそれぞれ対応する５つのビームによって測定を実行し、その測定の結果として、３つのビームが選択されるようにしてもよい。なお、このときに、形成したビームの一部として無線品質の測定値が上位の方から所定数のビームを選択するようにしてもよいし、無線品質の測定値が所定値を上回るビームが選択されるようにしてもよい。なお、複数のビームが選択される場合、相互に隣接するビームが選択されるようにし、隣接しないビームについては選択されないようにしてもよい。すなわち、連続する角度範囲を特定するように、複数に分割されたビームの中からその一部の１つ以上のビームが選択されるようにしてもよい。

上述のように、徐々にビーム幅を狭める制御を行う場合、最初は広い角度範囲を大まかに分割して所定の信号の無線品質を測定し、十分な無線品質で所定の信号が受信されなかった角度範囲については除外することにより、少ない測定回数で、それ以上の測定が不要な角度範囲を特定することが可能となる。また、この処理を繰り返し実行することにより、効率的にビームの方向及びビーム幅を決定することができる。例えば、最大の角度範囲を３２分割したビームが特定される場合、最初から３２分割すると３２通りの測定が必要となるが、上述のように２分割を繰り返す手法では、１０通りの測定のみで足りることとなる。

（装置構成）
続いて、上述のような処理を行う中継装置１２１の構成について、図３を用いて説明する。中継装置１２１は、例えば、中継回路３０１とコントローラ３０２とを有する。

中継回路３０１は、例えば、非再生中継を行うための増幅器と周波数変換器とを含んで構成される。この場合、中継回路３０１は、例えば、複数のアンテナを含み、それらのアンテナのそれぞれから出力される信号にアンテナウェイトを乗じて出力することにより、任意の方向及びビーム幅の所定のビームを設定して信号を送出することができる。また、複数のアンテナから受信された信号に対してアンテナウェイトを乗じて加算することにより、任意の方向及びビーム幅の所定のビームを設定して、高いアンテナ利得により到来する信号の無線品質を改善することができる。また、中継回路３０１は、例えば、反射板であってもよく、任意の反射方向及びビーム幅のビームを形成して電波を反射させる機能を有する。例えば、中継回路３０１は、設定可能な方向で電波が反射されるように反射板の向きを物理的に変更する機能を有しうる。また、中継回路３０１は、反射板の向きは固定されたメタマテリアル反射板であってもよい。この場合、中継回路３０１は、反射板内の多数の受動素子における位相制御などによって、設定可能な方向及びビーム幅で電波を反射する機能を有する。

コントローラ３０２は、中継装置１２１の全体の処理や、上述のようなビームの方向及びビーム幅を決定する処理を実行する。コントローラ３０２は、例えば１つ以上のプロセッサ及び１つ以上のメモリにより構成され、１つ以上のメモリに記憶されたコンピュータが解釈可能なプログラム命令が１つ以上のプロセッサにより実行されることにより、各種処理が実行される。コントローラ３０２は、例えば、中継回路３０１のアンテナや導体構造を介して、基地局装置１０１から端末装置１４１及び端末装置１４２の情報を取得する。例えば、コントローラ３０２は、端末装置１４１及び端末装置１４２が所定の信号（例えばＤＭＲＳ）を送信する際に用いるリソースなどの情報を、基地局装置１０１から送出された信号に基づいて特定し、記憶しうる。コントローラ３０２は、例えば、基地局装置１０１から送出されたマスタインフォメーションブロック（ＭＩＢ）、システムインフォメーションブロック（ＳＩＢ）、及び、無線リソース制御（ＲＲＣ）メッセージを復号することにより、端末装置１４１及び端末装置１４２の情報を取得しうる。コントローラ３０２は、例えば、中継回路３０１のアンテナや導体構造を介して、到来した電波が所定の信号を運ぶ電波であるか否かを判定し、及び所定の信号であった場合にはその信号の送信元の端末装置を特定する。そして、コントローラ３０２は、端末装置ごとに、上述のような処理を実行して、所定の信号を受信しながらビーム幅を狭める制御を実行して、形成した各ビームでの所定の信号の無線品質が良好となる、十分にビーム幅の狭いビームを特定する。そして、コントローラ３０２は、例えば、メモリにその特定したビームに関する設定値（例えばアンテナウェイトやメタマテリアルの位相情報等）を記憶し、端末装置の通信の際に、その端末装置に対応する設定値を用いて電波の中継を行うように中継回路３０１を制御する。

（処理の流れ）
続いて、図４を用いて、本実施形態に係る中継装置１２１によって実行される処理の流れの例について説明する。ここでは、図２のように、ビームを形成可能な角度範囲を半分に分割して所定の信号（例えばＤＭＲＳ）の無線品質を測定し、良好な無線品質を達成した方のビームを特定して、そのビームの角度範囲をさらに半分に分割して同様の処理を繰り返す場合の例について説明する。なお、ビーム幅を狭める制御は、上述のような変形が可能であるが、ここでは説明を省略する。本処理は、例えば、中継装置１２１が、コントローラ３０２によって、端末装置の情報を（例えばＲＲＣメッセージを復号することにより）取得する（Ｓ４０１）ことによって開始される。

中継装置１２１は、ビームを設定可能な角度範囲の最小値を変数「ｌｏｗ」の値とし、最大値を変数「ｈｉｇｈ」の値とする（Ｓ４０２）。そして、変数「ｍｉｄ」を、「ｌｏｗ」と「ｈｉｇｈ」とによって規定される範囲の中心を示す角度の値に設定する（Ｓ４０３）。例えば、中継装置１２１が反射板である場合に、反射板の反射面の法線方向が９０°であり、反射面を含む直線方向を、０°及び１８０°とする。この場合、「ｌｏｗ」が０°に設定され、「ｈｉｇｈ」が１８０°に設定され、「ｍｉｄ」は９０°と算出される。このとき、「ｍｉｄ」によって規定される分割後の角度範囲（ｌｏｗ～ｍｉｄ、及び、ｍｉｄ～ｈｉｇｈ）に対応するビームを中継装置１２１が形成可能でない場合（Ｓ４０４でＮＯ）、その時点における変数「ｌｏｗ」から変数「ｈｉｇｈ」までの角度範囲に対応するビームを使用することを決定し（Ｓ４１０）、処理を終了する。一方で、「ｍｉｄ」によって規定される分割後の角度範囲に対応するビームを中継装置１２１が形成可能である場合（Ｓ４０４でＹＥＳ）、その分割後の角度範囲に対応する２つのビームをそれぞれ用いて、端末装置から送出された所定の信号の無線品質を測定する（Ｓ４０５、Ｓ４０６）。なお、この測定は、例えばＳ４０６から先に行われてもよい。また、中継装置１２１は、Ｓ４０５とＳ４０６の測定を並行して行うことが可能な場合には、これらの測定を並行して行ってもよい。なお、測定される無線品質は、例えば受信電力（所定の信号が参照信号の場合、例えば参照信号受信電力（ＲＳＲＰ））でありうるが、ＳＮＲやＳＩＮＲなどであってもよい。

そして、中継装置１２１は、２つのビームのいずれにおいて、より良好な無線品質を得ることができたかを判定する（Ｓ４０７）。そして、中継装置１２１は、ｌｏｗ～ｍｉｄの角度範囲に対応するビームにおいてより良好な無線品質が得られた場合（Ｓ４０７でＹＥＳ）、「ｍｉｄ」の値を変数「ｈｉｇｈ」に代入して（Ｓ４０８）、処理をＳ４０３へ戻す。なお、この場合、変数「ｌｏｗ」については変更しない。例えば、「ｍｉｄ」の値が９０°であり、変数「ｈｉｇｈ」が１８０°である場合、変数「ｈｉｇｈ」が９０°に変更され、０°～９０°の角度範囲でＳ４０３以降の処理が再度実行される。一方、中継装置１２１は、ｍｉｄ～ｈｉｇｈの角度範囲に対応するビームにおいてより良好な無線品質が得られた場合（Ｓ４０７でＮＯ）、「ｍｉｄ」の値を変数「ｌｏｗ」に代入して（Ｓ４０９）、処理をＳ４０３へ戻す。この場合、変数「ｈｉｇｈ」については変更しない。例えば、「ｍｉｄ」の値が９０°であり、変数「ｌｏｗ」が０°である場合、変数「ｌｏｗ」が９０°に変更され、９０°～１８０°の角度範囲でＳ４０３以降の処理が再度実行される。これにより、良好な無線品質が得られたビームの角度範囲がさらに分割されて、徐々にビーム幅が狭められることとなる。

なお、Ｓ４０４では、ターゲットとなる利得が得られるか否かを判定してもよい。例えば、端末装置及び基地局装置と中継装置との間の距離に基づく伝搬損失と、通信の目標品質とに基づいて、ターゲットの利得が決定され、その利得を得られるようなビームが形成された時点で、図４の処理が終了されてもよい。

以上のような処理により、中継装置から端末装置に向けられるビームの方向及びビーム幅を適切に設定することが可能となる。

発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、発明の要旨の範囲内で、種々の変形・変更が可能である。

Claims

基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置であって、
前記端末装置からの所定の信号を測定しながら、当該所定の信号が到来する方向に向けてビーム幅を狭める制御を実行することにより、前記端末装置に向けられるビームを決定する決定手段と、
前記基地局装置または前記端末装置によって送信された信号を、ユーザデータの復号を行わずに前記ビームを用いて中継する中継手段と、
を有することを特徴とする中継装置。
前記決定手段によって行われるビーム幅を狭める制御は、第１のビームに対応する第１の角度範囲を複数の第２の角度範囲に分割して、当該複数の第２の角度範囲のそれぞれに対応する複数の第２のビームで前記所定の信号を測定し、当該測定によって得られた前記所定の信号の無線品質に基づいて当該複数の第２のビームの一部を選択して、前記第１のビームよりビーム幅が狭くなったビームを特定することを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の中継装置。
前記決定手段は、前記複数の第２のビームのうちの前記選択された前記一部を前記第１のビームとして、繰り返しビーム幅を狭める制御を実行する、ことを特徴とする請求項２に記載の中継装置。
前記決定手段は、前記複数の第２のビームのうちの前記選択された前記一部のビーム幅より狭いビーム幅を設定できない場合に前記ビーム幅を狭める制御を停止する、ことを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
前記決定手段は、前記複数の第２のビームのうちの前記選択された前記一部のビーム幅が所定のビーム幅より狭い場合に前記ビーム幅を狭める制御を停止する、ことを特徴とする請求項３に記載の中継装置。
前記所定の信号は復調参照信号である、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の中継装置。
前記中継装置は反射板であり、
前記中継手段は、前記基地局装置または前記端末装置によって送信されて前記反射板へ到来した信号を反射させて中継する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の中継装置。
前記反射板はメタマテリアル反射板である、ことを特徴とする請求項７に記載の中継装置。
前記中継装置は無線レピータであり、
前記中継手段は、前記基地局装置または前記端末装置によって送信されて前記無線レピータへ到来した信号を増幅して送出することによって中継する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の中継装置。
基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置によって実行される制御方法であって、
前記端末装置からの所定の信号を測定しながら、当該所定の信号が到来する方向に向けてビーム幅を狭める制御を実行することにより、前記端末装置に向けられるビームを決定することと、
前記基地局装置または前記端末装置によって送信された信号を、ユーザデータの復号を行わずに前記ビームを用いて中継することと、
を含むことを特徴とする制御方法。
基地局装置と端末装置との間の通信を中継する中継装置に備えられたコンピュータに、
前記端末装置からの所定の信号を測定しながら、当該所定の信号が到来する方向に向けてビーム幅を狭める制御を実行することにより、前記端末装置に向けられるビームを決定させ、
前記基地局装置または前記端末装置によって送信された信号を、ユーザデータの復号を行わずに前記ビームを用いて中継させる、
ためのプログラム。