JP7794440B2 - ビームフォーミング制御方法 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 （１）令和４年３月１日に、田久 修、川村 築、秋元 浩平が、ウェブサイト上の２０２２年電子情報通信学会総合大会の講演予稿集にて発明を公開 （２）令和４年３月１６日に、田久 修、川村 築、秋元 浩平が、２０２２年電子情報通信学会総合大会のＷＥＢ講演にて発明を公開

本発明は、無線通信における電波の放射範囲を特定方向に向けるビームフォーミングの制御方法に関する。

現在、複数の通信キャリアによる無線通信サービスによって、携帯電話やスマートフォン等の移動体通信機における通話やデータ通信等が行われている。
各通信キャリアは、複数の基地局を鉄塔、ビルの屋上、山中等に設置し、基地局のセル内に存在する各移動体通信機との間で電波の送受信を行っている。

一方、スマートフォンの大幅な普及増加に伴い、通信キャリアへの参入希望も相次いでいるが、複数の通信キャリアへ割り当て可能な周波数資源は限られており、周波数資源の枯渇問題が生じている。
このような周波数資源の枯渇問題は、複数の通信キャリアが周波数を共用できるようにすればよいが、複数の通信キャリアが周波数を共用するには、空き空間領域であるホワイトスペースを有効利用することが求められる。
このため、各通信キャリアの利用者の利用状況や地理的条件に基づいてホワイトスペースをデータベース化したり、実際に電波環境を計測してホワイトスペースをマップ化する試みがなされている。

例えば、特許文献１には、ホワイトスペースをマップ化するに際し、複数のセンサがそれぞれ受信した電波の観測値の情報を取得し、推定した電波の発射源の位置座標およびセンサからそれぞれ取得した観測値を基に、各空間座標における観測値の第１の推定値を算出し、センサの位置ごとに観測値と第１の推定値との差を残差として算出し、算出した残差の各空間座標における補間データを算出し、各空間座標それぞれにおいて第１の推定値と補間データの値を加算して各空間座標における電波の観測値の第２の推定値を算出することによって、観測対象領域全体において電波環境を正確に推定することが開示されている。

特開２０１９－９２０９９号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、現状での電波環境を推定することにより、ホワイトスペースをマップ化しようとしているが、ホワイトスペースを増やしたり広げたりはしていない。すなわち、いずれはホワイトスペースが減少していくことも考えられるため、従来の技術では周波数枯渇問題を完全に解決しているとは言えないという課題がある。

そこで本発明は、上記の課題を解決すべくなされ、各通信キャリアの利用者への影響をなるべく小さくしてホワイトスペースを増やすためのビームフォーミング制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるビームフォーミング制御方法によれば、基地局から放射する通信用の電波のビームフォーミング制御方法であって、前記基地局がサポートするエリアを平面上で所定範囲ごとに区分して複数の区分エリアとし、前記区分エリアごとに、前記基地局から放射する通信用の電波に対応する移動体通信機の数を所定時間間隔おきに検出して、日ごとにデータベース化しておき、過去のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアをホワイトスペースとするために、当該時間帯のみ当該区分エリアに通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴としている。
この方法によれば、移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してホワイトスペースを確保することができ、圏外となる移動体通信機をなるべく少なく抑えつつ異なる通信キャリアの間での周波数共用が可能となる。
また、過去の移動体通信機のデータに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保するため、圏外となる移動体通信機をさらに少なく抑えることができる。

また、前日のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴としてもよい。
この方法によれば、直近である前日の移動体通信機のデータに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保するため、圏外となる移動体通信機をさらに少なく抑えることができる。

また、１週間前のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴としてもよい。
この方法によれば、直近で同じ曜日である１週間前の移動体通信機のデータに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保するため、圏外となる移動体通信機をさらに少なく抑えることができる。

また、前記日ごとにデータベース化された区分エリア毎に所定時間間隔おきの移動体通信機の数に対して深層学習を行って、区分エリア毎に所定時間間隔おきの移動体通信機の数の予測数を算出し、予測数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴としてもよい。
この方法によれば、予測されたデータに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保するため、圏外となる移動体通信機をさらに少なく抑えることができる。

本発明によれば、各通信キャリアの利用者へ影響を小さくしつつホワイトスペースを増やすことができる。

通信キャリアが所有する基地局と、そのサポートエリアの概略説明図である。 基地局の概略構成を示すブロック図である。 図１の状態からホワイトスペースを形成したサポートエリアの概略説明図である。 圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第１実施形態のフローチャートである。 基地局を中心に平面上のサポートエリアを所定角度で区分して複数の区分エリアを形成したところを示す説明図である。 実際の地図上で基地局を中心にサポートエリアを所定角度で区分した区分エリア毎に移動体通信機が所在をプロットした例を示す説明図である。 データベース化した区分エリア毎の３０分間ごとの１日分の移動体通信機数を表したグラフである。 圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第２実施形態のフローチャートである。 圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第３実施形態のフローチャートである。 基地局を中心に北を０°とし、時計回り（東に向けて）３０°～１２０°の範囲をエリア１とし、６０°～１５０°の範囲をエリア２として区分した実施例の説明図である。 図１０におけるエリア１の３０分ごとの１日分の移動体通信機数を表したグラフである。 図１１のグラフの翌日の所定時間帯における移動体通信機の位置を地図上にプロットし、エリア１とエリア２の範囲を重ねた説明図である。

以下、図面に基づいて本実施形態におけるビームフォーミング制御方法について説明する。
図１は、任意の通信キャリアが所有する基地局と、そのサポートエリアの概略説明図である。なお、図１では、基地局を中心に電波が平面的に放射されているところを示している。
基地局１０は、所定の周波数帯の通信用の電波を放射し、サポートエリア１２内に存在する移動体通信機１４（携帯電話、スマートフォンなど）に対して電波の送受信を実行する。

ここで基地局の概略構成を図２に基づいて説明する。
基地局１０は、アレイアンテナ２０と、アレイアンテナ２０による電波の放射方向を制御できる制御部２２と、ハードディスクドライブやＳＳＤ等の記憶装置２４とを有している。制御部２２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されており、所定のプログラムによって動作する。また、記憶装置２４には、後述するように日ごとの区分エリア毎の所定時間おきの移動体通信機１４の数をデータベース化して記憶する。
なお、制御部２２と記憶装置２４は、１台又は複数台のコンピュータとしてもよい。

図３に、図１の状態からホワイトスペースを形成した例を示す。
図３では基地局１０は、移動体通信機１４が存在する方向のみに電波を放射し、電波が放射されていない領域は空き空間領域であるホワイトスペース１６となる。
ホワイトスペース１６は、基地局１０からの所定の周波数帯の電波が無い空き空間であるため、同じ周波数帯の別の通信キャリアが使用することができる。

図３のようにホワイトスペース１６を設けるためには、圏外となる移動体通信機１４を少なく抑える必要がある。そこで、以下に圏外となる移動体通信機１４を少なく抑える方法について説明する。

（第１実施形態）
図４に、圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第１実施形態のフローチャートを示す。
まずステップＳ１００に示すように、制御部２２は基地局１０のサポートエリア１２を区分して複数の区分エリアを形成する。

図５に、基地局を中心に平面上のサポートエリア１２を所定角度で区分して複数の区分エリアを形成した例を示す。図５では、基地局１０を中心にして３０°毎にエリアを区分し、１２個の区分エリアを形成している。例えば、基地局１０を中心として、真東から反時計回りに３０°北に向けた区分エリアを区分エリア１とし、区分エリア１から反時計回りに３０°北に向けた区分エリアを区分エリア２とし、区分エリア２から反時計回りに３０°北に向けた区分エリアを区分エリア３とする。

次のステップＳ１０２として、制御部２２は区分エリア毎の移動体通信機１４の数を所定時間おきに計測する。
図６に、実際の地図上で基地局を中心にサポートエリア１２を所定角度で区分して区分エリアを形成し、区分エリア毎に移動体通信機の所在をプロットした例を示す。
基地局１０と移動体通信機１４との間では、移動体通信機１４がサポートエリア１２内の基地局１０に対して移動体通信機１４の識別番号や受信日時等の位置登録情報を所定周期で送信している。
このため、基地局１０では、位置登録情報に基づいてサポートエリア１２内に存在する移動体通信機１４の位置を特定することができる。なお、移動体通信機１４の位置の特定は、移動体通信機１４からの位置特定情報ではなく、移動体通信機１４が内蔵しているＧＰＳによって得られた移動体通信機１４の緯度経度情報に基づいてもよい。

図６に示した図面は、基地局１０が得た位置登録情報又はＧＰＳによる緯度経度情報に基づいて制御部２２によって地図データ上に各移動体通信機１４の位置をプロットしたものである。

次のステップＳ１０４では、制御部２２は計測した移動体通信機１４の数をデータベース化する。
図７は、データベース化した区分エリア毎の３０分間ごとの１日分の移動体通信機数をグラフに表したものである。図７は、横軸に１日の時刻を示し、縦軸に移動体通信機数を示している。開始時刻は深夜の０時である。

そして、次のステップＳ１０６では、制御部２２は前日のデータベースから、移動体通信機数が予め設定した閾値以下となる時間帯を区分エリア毎に検出し、閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに対して、閾値以下となる時間帯は電波を放射しないように制御する。

例えば、移動体通信機１４の数の閾値として７５を設定した場合、図７では、区分エリア１１（３００°～３３０°）は深夜０：００～７：３０までの間と、１０：３０～１２：００までの間と、１４：００～１５：００までの間と、１６：００～１６：３０までの間と、１８：００～１８：３０までの間と、１９：３０～深夜２４：００までの間は、移動体通信機１４の数が閾値以下である。
また、区分エリア１０（２７０°～３００°）は、深夜０：００～８：００までの間と、１９：００～深夜２４：００までの間は、移動体通信機１４の数が閾値以下である。
また、区分エリア１２（３３０°～３６０°）は、深夜０：００～６：３０までの間と、２２：００～深夜２４：００までの間は、移動体通信機１４の数が閾値以下である。

なお、区分エリア１１では、１０：３０～１２：００までの間と、１４：００～１５：００までの間と、１６：００～１６：３０までの間と、１８：００～１８：３０までの間は、移動体通信機１４の数は閾値よりもわずかに下であり、且つ閾値以下となっている時間も短いので、区分エリア１１における１０：３０～１２：００までの間と、１４：００～１５：００までの間と、１６：００～１６：３０までの間と、１８：００～１８：３０までの間は電波を放射するものとする。

そこで、図７の例では、制御部２２は、区分エリア１１に対しては深夜０：００～７：３０までの間と、１９：３０～深夜２４：００までの間は、電波を放射しないよう制御する。
また、制御部２２は、区分エリア１０に対しては深夜０：００～８：００までの間と、１９：００～深夜２４：００までの間は、電波を放射しないよう制御する。
また、制御部２２は、区分エリア１２に対しては、深夜０：００～６：３０までの間と、２２：００～深夜２４：００までの間は、電波を照射しないように制御する。

上述してきた第１実施形態によれば、前日のデータベースに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保することができる。

（第２実施形態）
図８に、圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第２実施形態のフローチャートを示す。

第２実施形態は、基地局１０のサポートエリア１２を区分して複数の区分エリアを形成するステップＳ１００と、区分エリア毎の移動体通信機１４の数を所定時間おきに計測するステップＳ１０２と、計測した移動体通信機１４の数をデータベース化するステップＳ１０４までは、第１実施形態と同一の工程なので、ここでは説明を省略する。

第２実施形態では、ステップＳ１０４の次のステップＳ２０６において、制御部２２は一週間前のデータベースから、移動体通信機数が予め設定した閾値以下となる時間帯を区分エリア毎に検出し、閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに対して、閾値以下となる時間帯は電波を放射しないように制御する。

第２実施形態によれば、直近で同じ曜日である１週間前のデータベースに基づいて、時間帯によって移動体通信機の数が少ない区分エリアに対してその時間帯のみホワイトスペースを確保するため、曜日によって異なる移動体通信機１４の存在状況を正確に反映させてホワイトスペースを確保することができる。

（第３実施形態）
図９に、圏外となる移動体通信機の数を少なく抑えてホワイトスペースを形成する方法の第３実施形態のフローチャートを示す。

第３実施形態は、基地局１０のサポートエリア１２を区分して複数の区分エリアを形成するステップＳ１００と、区分エリア毎の移動体通信機１４の数を所定時間おきに計測するステップＳ１０２と、計測した移動体通信機１４の数をデータベース化するステップＳ１０４までは、第１実施形態及び第２実施形態と同一の工程なので、ここでは説明を省略する。

第３実施形態では、ステップＳ１０４の次のステップＳ３０６において、データベース化された区分エリア毎に所定時間間隔おきの移動体通信機の数に対して深層学習を行う。
深層学習（ディープラーニング）は、入力層に対する出力層との間に複数の中間層を有するニューラルネットワークによって処理を行うことである。本実施形態の場合、制御部２２に深層学習のアルゴリズムを有するＡＩ（図示せず）を接続して対応することができ、また制御部２２自体が深層学習のアルゴリズムを有するＡＩであってもよい。
深層学習の一例としては線形回帰モデルを採用することができ、区分エリア毎、曜日ごとに、時刻、移動体通信機数の相関関係を線形回帰モデルで解析して、区分エリア毎、曜日ごとに、１日の時刻ごとの移動体通信機数の予測をすることができる。

次のステップＳ３０８では、制御部２２は、深層学習によって予測された移動体通信機数が閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに対して、閾値以下となる時間帯は電波を放射しないように制御する。
第３実施形態によれば、深層学習で予測した移動体通信機の数に基づいてホワイトスペースを確保するため、移動体通信機１４の存在状況を正確に反映させてホワイトスペースを確保することができる。

（実施例）
以下、実際にホワイトスペースの形成のためのビームフォーミング制御を実施した結果について説明する。
図１０には、区分エリアとして、基地局１０を中心に北を０°とし、時計回り（東に向けて）３０°～１２０°の範囲をエリア１とし、６０°～１５０°の範囲をエリア２として区分したところを示している。
なお、この例では、６０°～１２０°の範囲ではエリアが重なっている。

図１１は、ある日におけるエリア１とエリア２の３０分ごとの１日分の移動体通信機数を検出し、グラフに示したものである。
また、図１１の例では閾値を２００に設定している。閾値を２００に設定した場合には、エリア１では移動体通信機１４の数が閾値以下となる時間帯は無く、エリア２では深夜２：３０～５：３０までの間において移動体通信機１４の数が閾値以下となっている。

図１２は、図１１で移動体通信機の数を検出した日の翌日の３：００～３：３０における移動体通信機の位置を地図上にプロットし、エリア１とエリア２の範囲を重ねたイメージを示している。
この図１２によれば、エリア１の南側境界線とエリア２の南側境界線の間で区切られたエリアについては移動体通信機の数が少ないことが分かる。
また、エリア１の通信可能な移動体通信機の数はこの時点で１２１個であり、エリア２の通信可能な移動体通信機の数はこの時点で１０４個である。

このため、前日の移動体通信機の数に基づいて、エリア１に電波を放射し、エリア２に電波を放射しないように制御した場合、エリア１の南側境界線とエリア２の南側境界線の間で区切られたエリアには電波が放射されず、移動体通信機の数が少ないエリアに対してホワイトスペースを確保することができる。

なお、上述してきた各実施形態において、ホワイトスペースを形成したエリアにも移動体通信機は存在し、このような移動体通信機は圏外となってしまうが、圏外となる移動体通信機に対しては他周波数帯でサポートするとよい。

１０ 基地局
１２ サポートエリア
１４ 移動体通信機
１６ ホワイトスペース
２０ アレイアンテナ
２２ 制御部
２４ 記憶装置

Claims (4)

1. 基地局から放射する通信用の電波のビームフォーミング制御方法であって、
   前記基地局がサポートするエリアを平面上で所定範囲ごとに区分して複数の区分エリアとし、
   前記区分エリアごとに、前記基地局から放射する通信用の電波に対応する移動体通信機の数を所定時間間隔おきに検出して、日ごとにデータベース化しておき、
   過去のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアをホワイトスペースとするために、当該時間帯のみ当該区分エリアに通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴とするビームフォーミング制御方法。
2. 前日のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング制御方法。
3. １週間前のデータベースから検出した移動体通信機の数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング制御方法。
4. 前記日ごとにデータベース化された区分エリア毎に所定時間間隔おきの移動体通信機の数に対して深層学習を行って、区分エリア毎に所定時間間隔おきの移動体通信機の数の予測数を算出し、
   予測数が予め設定した閾値以下となる時間帯を有する区分エリアに、当該時間帯のみ通信用の電波を放射しないようにビームフォーミングを制御することを特徴とする請求項１記載のビームフォーミング制御方法。