WO2015053307A1 - 無線通信システム、無線移動局、及び無線基地局 - Google Patents

無線通信システム、無線移動局、及び無線基地局 Download PDF

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WO2015053307A1
WO2015053307A1 PCT/JP2014/076925 JP2014076925W WO2015053307A1 WO 2015053307 A1 WO2015053307 A1 WO 2015053307A1 JP 2014076925 W JP2014076925 W JP 2014076925W WO 2015053307 A1 WO2015053307 A1 WO 2015053307A1
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WO
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base station
mobile
radio
communication
station
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PCT/JP2014/076925
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English (en)
French (fr)
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紀▲ユン▼ 沈
聡 須山
奥村　幸彦
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株式会社Ｎｔｔドコモ
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/155—Ground-based stations
    • H04B7/15507—Relay station based processing for cell extension or control of coverage area
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/24—Cell structures
    • H04W16/28—Cell structures using beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/005—Moving wireless networks

Definitions

  • the present invention relates to a radio communication system, a radio mobile station, and a radio base station in mobile communication (group mobility) in a large number of terminals existing in the same mobile body.
  • LTE Long Term Evolution
  • LTE successor systems for example, LTE Advanced, FRA (Future Radio Access), 4G, etc.
  • macrocells with a relatively large coverage with a radius of several hundred meters to several kilometers.
  • wireless communication systems for example, also called heterogeneous networks in which small cells (including picocells, femtocells, etc.) having a relatively small coverage with a radius of several meters to several tens of meters are being studied.
  • small cells including picocells, femtocells, etc.
  • a scenario that uses the same frequency band for both the macro cell and the small cell for example, also called co-channel
  • a scenario that uses a different frequency band for the macro cell and the small cell for example, separate frequency
  • a relatively low frequency band for example, 2 GHz
  • a relatively high frequency band for example, 3.5 GHz, 10 GHz, etc.
  • the present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to provide a radio communication system, a radio mobile station, and a radio base station that improve system performance for group mobility.
  • a radio communication system of the present invention is a radio communication system for mobile communication in a plurality of user terminals existing in a mobile body, wherein a radio base station that forms a cell on a mobile route of the mobile body, and the mobile body And a wireless mobile station that relays communication between the plurality of user terminals and the wireless base station.
  • FIG. 1 is an example of a conceptual diagram of a network configuration to which the wireless communication system according to the present embodiment is applied.
  • the network configuration shown in FIG. 1 includes a radio base station (hereinafter referred to as a macro base station or MeNB (Macro eNodeB)) that forms a macro cell, and a radio base station (hereinafter referred to as a small base station or SeNB (Small eNodeB) that forms each small cell. )), And a user terminal (UE: User Equipment) that communicates with at least one of a macro base station and a small base station.
  • a moving body (train) is moving along a predetermined moving route (track), and a large number of user terminals are included in the moving body.
  • FIG. 1 illustrates a network configuration in which a small base station overlaps (overlays) a range (coverage area, cell area) covered by a macro cell to form a small cell.
  • a carrier F1 for example, 2 GHz band
  • a relatively low frequency band hereinafter referred to as a low frequency band
  • a relatively high frequency band hereinafter referred to as a high frequency
  • a carrier F2 for example, 3.5 GHz band, 10 GHz band, etc.
  • the network configuration to which the radio communication system according to the present embodiment is applied is not limited to the configuration shown in FIG. For example, even when there is no small base station, it is applicable.
  • C Control
  • U User
  • path loss increases in proportion to the frequency f. For this reason, in a small cell using a carrier F2 in a high frequency band, path loss is reduced by applying beam forming such as MIMO (Multiple Input Multiple Output), Massive MIMO (also referred to as 3D (3D) / Massive MIMO). Compensation is being considered.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • Massive MIMO also referred to as 3D (3D) / Massive MIMO
  • beam forming is a technique that allows a transmission / reception beam to have directivity and a beam shape to be changed by controlling the amplitude and phase of each transmission / reception signal in a plurality of antenna elements. It is.
  • the higher the number of antenna elements the higher control is possible.
  • the number of beams, the shape of each beam the width of the beam in the horizontal plane, the width of the beam in the vertical plane, etc.
  • the direction of the beam, and the gain can be controlled in detail according to the number of antenna elements. For example, high gain (power density) can be obtained by narrowing the beam width (that is, forming a narrow beam).
  • data rate frequency utilization efficiency
  • data rate is improved by transmitting data using a large number (for example, 100 or more) of antenna elements. Since data is transmitted using a large number of antenna elements, transmission efficiency associated with multiplexing can be improved compared to the case where a small number of antenna elements are used, and wireless communication at a higher speed than before can be performed. Further, advanced beam forming is possible by combining a large number of antenna elements.
  • a user terminal In the network configuration shown in FIG. 1, a user terminal (UE) is configured to be able to communicate with a macro base station when located in a macro cell, and configured to be able to communicate with a small base station when located within a small cell. Is done. Moreover, when located in a small cell, in addition to a small base station, you may be comprised so that communication with a macro base station is also possible. Communication using a plurality of wireless communication systems with different utilization frequencies at the same time is also referred to as link aggregation. In addition, the user terminal in this Embodiment contains a mobile terminal device and a fixed terminal device.
  • the macro base station and the small base station are connected to an upper station apparatus (also called a central control station or an upper node).
  • This higher station apparatus is connected to the core network.
  • the central control station includes, for example, an access gateway device, a radio network controller (RNC), a mobility management entity (MME), and the like.
  • RNC radio network controller
  • MME mobility management entity
  • each terminal is individually a wireless base station. Communicate with.
  • the system performance may be deteriorated due to a load due to the control signal, interference between terminals, and the like.
  • each user terminal in the mobile unit performs handover at the same time, so that a large number of processes for controlling the handover occur, resulting in system performance. Decreases.
  • the source of high-density traffic moves with the movement of a mobile body including a plurality of user terminals. Therefore, in the radio base stations around the moving path of the moving body, when the moving body exists in the cell (particularly when the moving body enters the cell from the outside), a high load is generated, When moving out of the cell, the load decreases rapidly. Therefore, there is a possibility that the network of the wireless communication system becomes unstable.
  • the present inventors have conceived that the load on the existing wireless communication system can be reduced by offloading the communication related to the user terminal in the moving body with the dedicated system for the group mobility. It came. According to this configuration, it is possible to improve the system performance of the entire wireless communication system without changing the user terminal.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the wireless communication system (wireless communication system 100) according to the present embodiment.
  • the radio communication system 100 illustrated in FIG. 2 may be, for example, an LTE system, an LTE-A system, an IMT-Advanced, 4G, or FRA (Future Radio Access).
  • LTE Long Term Evolution
  • LTE-A Long Term Evolution
  • IMT-Advanced Long Term Evolution
  • 4G Long Term Evolution-Advanced
  • FRA Full Radio Access
  • the radio communication system 100 includes a mobile unit 110, a GM mobile station 120 mounted on the mobile unit 110, a GM base station 130 forming GM cells 180 (180a and 180b), and a macro cell.
  • a macro base station 140 to be formed, a small base station 150 to form a small cell, and a plurality of user terminals 160 included in the mobile unit 110 are configured.
  • the radio base station (hereinafter also referred to as a dedicated base station) according to the present embodiment is a GM base station 130
  • the radio mobile station (hereinafter also referred to as a dedicated mobile station) according to the present embodiment is a GM mobile station. 120.
  • the macro cell and the small cell are omitted for simplicity.
  • the configuration of the radio communication system according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the present invention is applicable even when one or both of the macro base station 140 and the small base station 150 are not provided.
  • the moving body 110 is an object that moves along a predetermined route.
  • the moving body 110 is, for example, a train, a bus, a ship, or the like.
  • the GM mobile station 120 is installed in the mobile 110 and relays communication between the user terminal 160 included in the mobile 110 and the GM base station 130, the macro base station 140, and the small base station 150.
  • the transmission / reception antenna of the GM mobile station 120 preferably has a MIMO configuration having a plurality of antenna elements. With this configuration, it is possible to suitably follow a change in the relative position of each base station accompanying the movement of the mobile object 110 using beam forming, and to ensure stable communication quality.
  • a Massive MIMO configuration having a larger number of antenna elements (for example, the number of antenna elements is 1024) enables higher beam forming and higher quality communication.
  • the GM base station 130 is a base station that forms a cell (GM cell) that covers the moving path of the moving body, and is installed along the moving path of the moving body 110.
  • the GM base station 130 communicates with the user terminal 160 via the GM mobile station 120 mounted on the mobile object 110. Further, the GM base station 130 can be used as a dedicated base station for the GM mobile station 120.
  • a plurality of GM base stations 130 may be installed along the moving path of the moving body 110. In FIG. 2, two GM base stations are installed, that is, a GM base station 130a forming the GM cell 180a and a GM base station 130b forming the GM cell 180b.
  • the installation location of the GM base station 130 is close to the moving route of the moving body 110 and can cover the moving route widely.
  • the side of the track is suitable as the installation location of the GM base station 130.
  • the configuration of the wireless communication system according to the present embodiment is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the GM cells 180a and 180b overlap each other, but this embodiment can also be applied when the GM cells do not overlap.
  • the transmission / reception antenna of the GM base station 130 preferably has a MIMO configuration having a plurality of antenna elements. With this configuration, it is possible to suitably follow the movement of the moving body 110 using beam forming and to guarantee stable communication quality.
  • a Massive MIMO configuration having a larger number of antenna elements (for example, the number of antenna elements is 1024) enables higher-level beam forming and higher quality communication.
  • the macro base station 140 is a radio base station that forms a cell (macro cell) having a relatively wide coverage, and can communicate with the GM mobile station 120 and the user terminal 160.
  • a macro base station may be called eNodeB (eNB), a radio base station, a transmission point (transmission point), etc.
  • the small base station 150 is a radio base station that forms a cell (small cell) having local coverage, and can communicate with the GM mobile station 120 and the user terminal 160.
  • the small base station may be referred to as an RRH (Remote Radio Head), a pico base station, a femto base station, a Home eNodeB, a transmission point, an eNodeB (eNB), or the like.
  • the small base station 150 may be a Massive MIMO base station that can perform communication using the Massive MIMO transmission method.
  • the macro cell and the small cell are cells different from each other in at least one of the frequency, the communication method, and the coverage area as compared with the GM cell. Therefore, the GM cell can realize low-interference communication with the macro cell and the small cell.
  • communication methods for example, communication methods called LTE, LTE-A, IMT-Advanced, 4G, and FRA can be used. The communication method is not limited to this.
  • the GM base station 130, the macro base station 140, and the small base station 150 are each connected to a higher station apparatus and connected to the core network via the higher station apparatus.
  • the upper station device includes, for example, an access gateway device, a radio network controller (RNC), a mobility management entity (MME), and the like. Further, the GM base station 130, the macro base station 140, and the small base station 150 may be wired or wirelessly connected between the base stations.
  • User terminal 160 is a terminal that supports various communication schemes such as LTE, LTE-A, and FRA, and may include not only mobile communication terminals but also fixed communication terminals. Further, the user terminal 160 can communicate with the GM mobile station 120, the macro base station 140, and the small base station 150 independently.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of the GM mobile station according to the present embodiment, and a case where the GM mobile station 120 is arranged in one vehicle 111 in the moving body 110 will be described as an example.
  • one GM mobile station 120 is installed for one mobile body 110.
  • the present invention is not limited to this, and a configuration in which a plurality of GM mobile stations 120 are installed for one mobile body 110 may be adopted.
  • the GM mobile station 120 has a large number of antenna elements for GM cells in order to configure MIMO.
  • the number of antenna elements for the GM cell is preferably equal to the number of antenna elements provided in the GM base station.
  • the antenna elements for GM cells are arrange
  • the antenna elements may be arranged in a concentrated manner. In particular, the cost for installation can be suitably reduced by concentrating and arranging in one place.
  • the GM mobile station 120 is equipped with a macro cell and small cell antenna and a transceiver, and relays the macro cell and small cell signals into the mobile body. As a result, the stability of the connection related to the communication of the user terminal is guaranteed, and at the same time, the GM mobile station 120 controls the communication between the macro cell and the small cell and the plurality of user terminals. Compared to communication, communication overhead such as control signals and reference signals required for macro cells and small cells can be reduced. Further, by adopting such a configuration, the C / U-plane can be suitably separated, and the processing capability and the line capacity can be appropriately changed.
  • only one antenna for a macro cell and a small cell may be arranged on one mobile body 110, or a plurality of antennas may be installed on one mobile body 110 to obtain a spatial diversity effect or The reception performance from the outside may be improved by a spatial multiplexing effect or the like.
  • DF Decode and Forward
  • AF Analog and Forward
  • the signal relay method is not limited to this.
  • the DF type relay technology is also called DF relay, layer 2 relay, etc.
  • the DF relay technology is a relay technology in which a received RF (Radio Frequency) signal is demodulated and decoded, and then encoded and modulated again in a format suitable for a transmission destination.
  • the signal received from the GM cell can be used by the user terminal 160 and is transmitted in an optimal communication format.
  • noise can be suitably removed.
  • the optimal communication method according to the propagation path in the mobile unit 110 is used. The communication throughput improvement effect can be expected.
  • the GM mobile station 120 plays the role of a base station generally referred to inside the mobile unit 110. Specifically, communication (traffic) of a large number of user terminals inside the mobile unit 110 is once aggregated by the GM mobile station 120.
  • the user terminal recognizes the GM mobile station 120 as a base station, and performs communication with the GM mobile station in the same way as communication with a normal base station.
  • the GM mobile station behaves as one mobile station with respect to the GM base station, macro base station, small base station, etc. outside the mobile body, and the communication (traffic) once aggregated from the internal user terminals is transmitted to the GM base station. Etc.
  • C-Plain control signal
  • the moving body 110 has an internal antenna projecting over a predetermined vehicle.
  • the internal antenna is preferably provided in each vehicle, but may be provided in at least one vehicle.
  • the GM mobile station 120 relays a signal using a DF relay, the GM mobile station 120 performs radio communication with a user terminal inside the mobile body using a predetermined radio transmission technology via an internal antenna.
  • a wireless transmission technology for example, a wireless LAN conforming to the IEEE 802.11 standard can be used.
  • the present invention is not limited to this, and the mobile body 110 has a communication connector for wired connection with the GM mobile station 120, and by connecting the user terminal to the communication connector, wired communication with the GM mobile station 120 is possible. You can go. Further, visible light communication using electromagnetic waves in the visible light band may be used by illumination (LED illumination, organic EL illumination, etc.) in the moving body 110.
  • AF type relay technology is also called AF relay, layer 1 relay or the like.
  • the AF type relay technology is a relay technology that amplifies a received RF signal and transmits it.
  • the GM mobile station 120 projects the macro cell and small cell antennas to each vehicle, the AF type relay technology is suitable.
  • the AF relay can be realized by a low-cost device and is suitable for low delay and low power consumption communication. Furthermore, since communication with the macro cell is possible with less power, there is also an effect of reducing interference with user terminals residing in the macro cell existing outside the moving body.
  • a GM mobile station When a GM mobile station relays a signal by an AF relay, wireless communication is performed with a user terminal using an antenna protruding on a predetermined vehicle as in the case of a DF relay.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of an operation of communication between the user terminal and each base station according to the present embodiment, and a case where the GM mobile station 120 is arranged in one vehicle 111 in the moving body 110 will be described as an example. .
  • connection mode (hereinafter referred to as the connection mode) between the user terminal in the mobile body and each base station is controlled based on the connection request of the user terminal, the network status, and the like.
  • connection form of the user terminal various forms are conceivable depending on the presence / absence of connection with a GM mobile station, a conventional system, etc., but the following three can be selected as generally considered examples. It is.
  • the first connection form is a basic form.
  • the user terminal In the first connection mode, the user terminal is connected only to the GM mobile station and does not perform direct communication with the macro base station or the small base station.
  • the user terminals 160b to 160e are performing communication in the first connection form. Note that the user terminal 160b is in a state immediately after switching from the second connection form described later to the first connection form, and the connection to the macro cell and the small cell is cut off, and the user terminal 160b is connected only to the GM mobile station 120. . Further, the user terminal 106e is connected to the GM mobile station 120 by wire.
  • the second connection form is a high performance form.
  • the user terminal connects to the macro base station and / or the small base station in addition to the connection to the GM mobile station. That is, in the second connection form, the user terminal performs communication (link aggregation) in which a plurality of wireless communication lines are bundled. Therefore, by using the second connection form, in the user terminal, the communication performance can be improved by the cooperation between the GM mobile station and the user terminal.
  • the user terminal 160 f performs communication in the second connection form.
  • the user terminal may communicate with the base station using a signal relayed by the GM base station instead of directly connecting with the macro base station / small base station.
  • the third connection form is a low performance form (low power consumption form).
  • the user terminal is connected to the macro cell by the AF relay from the GM mobile station.
  • the DF relay is used in the first and second connection forms.
  • the third connection mode since the reception strength of the signal from the macro base station can be increased in the user terminal as compared with the case where there is no GM mobile station, the power consumption related to the signal reception of the user terminal can be reduced. It is.
  • communication with the macro cell is possible with less power, there is also an effect of reducing interference with user terminals outside the moving body located in the macro cell.
  • the user terminal 160a performs communication in the third connection mode.
  • connection modes are determined based on the control information from the upper station apparatus, the setting information of the GM mobile station, or the connection request of the user terminal. Further, in the present embodiment, the connection form is determined by the GM mobile station and notified to the user terminal, but is not limited thereto. For example, it is good also as a structure which is determined by the GM base station or a high-order station apparatus, and designates a connection form to a user terminal via a GM mobile station.
  • FIG. 5 shows a flowchart for determining the connection form of the user terminal according to the present embodiment.
  • GM base station and a macro base station as base stations with which the GM mobile station can communicate, but there may be a small base station.
  • small base station “macro base station” can be read as “small base station” or “macro base station / small base station” in each process of FIG.
  • the user terminal connects to the GM mobile station (step ST10).
  • the steps after the flowchart are executed.
  • a user terminal implements communication with a macro cell or a small cell individually regardless of the GM mobile station.
  • the GM mobile station selects the connection form of the user terminal with which the connection is established from the first to third connection forms described above.
  • the selection of the connection form of the user terminal is performed based on at least one of the following three.
  • the selection of the connection form may be performed for a specific user terminal or may be performed for a plurality of user terminals.
  • the user terminal connection type is selected (step ST30). For example, when control information is received from the upper station device via each base station, the connection mode is selected. In this case, the upper terminal apparatus may select the connection form of the user terminal, the GM base station that has received the control information from the upper station apparatus, or the control information from any of the base stations. May be selected by the GM mobile station.
  • the control information may be any information that can be used to select the connection form of the user terminal, and the format is not particularly limited.
  • the control information may be information instructing to change to a predetermined connection form, or may be information instructing to increase or decrease the communication performance of a specific user terminal.
  • the connection mode of the user terminal is selected (step ST30). For example, when the GM mobile station observes the traffic volume of the user terminal with which the connection has been established, the connection form of the specific user terminal may be changed according to the environment where the traffic volume has increased. it can.
  • the connection mode selection based on the setting of the GM mobile station may be performed at an arbitrary timing.
  • step ST22 when the GM mobile station receives a connection request from the user terminal (step ST22), the connection type of the user terminal is selected (step ST30). For example, when a connection request is received from a new user terminal, the connection form of each user terminal can be changed in consideration of already connected user terminals. Note that step ST22 may be performed in parallel with step ST10.
  • connection form of the user terminal it is next determined whether or not the connection form is a basic form (step ST40). If it is determined that the connection form is the basic form (step ST40-YES), the user terminal disconnects the connection if a direct connection with the macro base station has been established (step ST50).
  • connection form is not the basic form (step ST40-NO)
  • step ST41 it is next determined whether or not the connection form is a high performance form (step ST41).
  • step ST41-YES if the user terminal has not established a direct connection with the macro base station, the user terminal establishes the connection (step ST51).
  • the GM mobile station After step ST50 or ST51, the GM mobile station establishes a connection with the GM base station and / or macro base station as appropriate (step ST60). Note that the configuration of the connection can be changed as appropriate, for example, a specific user terminal is connected to the GM base station and another user terminal is connected to the macro base station.
  • connection form is not the high performance form (step ST41-NO)
  • the connection form is the low performance form (low power consumption form). Therefore, if the direct connection with the macro base station has been established, the user terminal disconnects the connection (step ST52). Further, the GM mobile station AF relays the signal from the macro base station and the signal to the macro base station to the user terminal (step ST62).
  • the GM mobile station may have a configuration for buffering communication from the user terminal and / or each base station.
  • the GM mobile station obtains a part of a large amount of data desired by the user terminal from the base station in advance, and buffers it to cover the GM base station. Even when communication is interrupted, for example, when a mobile object moves to a place where it is not, it is possible to continue providing data stored in the buffer to the user in advance.
  • uplink communication when communication with the GM base station or the like is interrupted due to a mobile body moving to a place that is not covered by the GM base station or the like, the data from the terminal is temporarily saved in a buffer, When communication is restored, it can be transmitted to an appropriate destination.
  • the mobile terminal relays communication with the GM base station.
  • uplink transmission data may be buffered, and the buffered data may be transmitted to the GM base station when the mobile moves again into the coverage area of the GM cell.
  • the GM mobile station cannot relay communication from the GM cell to the user terminal
  • the downlink transmission data from the GM base station is buffered, and the GM mobile station relays communication to the user terminal again.
  • the buffered data may be transmitted to the user terminal.
  • the radio communication system according to the present embodiment, it is possible to reduce the load on the existing radio communication system by offloading the communication related to the user terminal in the moving body with the dedicated system for group mobility. Thus, it is possible to improve the system performance of the entire wireless communication system.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of operations related to radio control of the GM base station and the GM mobile station according to the present embodiment, and the moving body 110 (train) moves from the left to the right along the movement path (track). In the case, the beam formed by the GM base station and the GM mobile station and the weight corresponding to the beam are shown.
  • the GM base station communicates with the GM mobile station using a beam formed by beam forming (BF).
  • the beam is appropriate from a fixed weight for BF (hereinafter referred to as a fixed weight) determined in advance according to the shape, width, moving direction, etc. of the moving path of the mobile station covered by the GM base station. Is preferably selected. If the mobile unit has a plurality of antennas for GM and the antennas are arranged apart from each other such as in different vehicles, a plurality of beams are simultaneously transmitted / received to / from each antenna and multiplexed. Thus, a spatial diversity effect, a spatial multiplexing effect, and the like can be obtained.
  • the beam forming weight of the GM base station may be selected by switching the above fixed weight at regular time intervals. For example, when the moving body is moving according to the rules (such as when the train is operating according to the timetable), the geographical position where the moving body exists at a predetermined time can be specified, so that the fixed time interval Switching at is preferable.
  • GM base station 130 grasps the position of GM mobile station 120 which the mobile body 110 is mounted, by weight W 1 to form a beam. Thereafter, the weight is updated at predetermined time intervals, and communication with the GM mobile station 120 is performed while appropriately changing the weights, such as weights W 2 , W 3 ,..., W N.
  • N is the number of fixed weights defined for the GM base station 130.
  • the weight formation depends on the traffic volume relayed by the GM mobile station, the traffic configuration relayed by the GM mobile station, the type of mobile body, the vehicle configuration of the mobile body, the moving speed of the mobile body, the moving direction of the mobile body, etc.
  • the configuration may be adaptively controlled.
  • adaptively controlled BF weights are referred to as adaptive weights.
  • the traffic volume and traffic configuration relayed by the GM mobile station can be acquired by observing communication data in the GM mobile station.
  • the information amount of communication data may be used, or the information amount of communication data per unit time may be used.
  • the traffic configuration refers to direct or indirect data related to traffic content such as a large amount of moving image data or a large number of user terminals connected to a specific site.
  • the traffic volume and the traffic configuration may be information on a predetermined part of the mobile body, not information on the entire mobile body. For example, it may be information that there is a large amount of traffic on the second vehicle. Based on the traffic volume and traffic configuration, it is possible to control the future communication volume by predicting the future traffic volume and strengthening the beam in advance.
  • the type of the moving body for example, rough information such as “train” or “bus” may be used, or detailed information such as “express train on a predetermined route” may be used.
  • the vehicle configuration of the moving body may be information simply indicating the number of vehicles such as “16-car train”, the position of the vehicle on which the GM antenna is mounted, and the number of antennas in the vehicle. It may be information indicating.
  • the type of the moving body, the vehicle configuration, the moving speed, the moving direction, etc. may be acquired by a sensor (camera, radar, infrared ray, etc.) installed in the GM base station or GM mobile station, or the position of the moving body. It is good also as a structure acquired from information, estimation by Doppler shift, control information, etc.
  • a target such as a marker may be placed on the moving body so that the moving speed and moving direction can be easily acquired by the sensor.
  • a bar code including information such as the type of the moving body and the vehicle configuration as a target, the above information can be suitably acquired by a camera or the like even for a high-speed moving body.
  • an apparatus for example, a liquid crystal display
  • adaptive weights such as traffic volume relayed by GM mobile station, traffic configuration relayed by GM mobile station, type of mobile body, vehicle configuration of mobile body, moving speed of mobile body, moving direction of mobile body, etc.
  • the information used may be used to determine a fixed weight.
  • what is observed by the GM mobile station is transmitted from the GM mobile station to the GM base station and / or the base station of the existing system and used by these base stations and higher-level station devices. It is also good.
  • the GM mobile station transmits the above information to the macro base station, the macro base station notifies the higher station apparatus, and the higher station apparatus notifies the GM base station, so that the GM base station has not established a connection. It is possible to select an appropriate weight for the GM mobile station.
  • the beam type (beam width, beam transmission power, etc.) may be changed. For example, when the moving speed of the moving body is high, the beam width may be widened, and when the moving speed of the moving body is low, the beam width may be narrowed.
  • the weight switching interval may be changed as an adaptive weight. For example, when the moving speed of the moving body is high, the switching interval may be shortened, and when the moving speed of the moving body is low, the switching interval may be increased.
  • the above-described fixed weight and adaptive weight may be used in combination. For example, when a mobile unit enters the end of the coverage area of the GM base station, initial connection is performed with a fixed weight, and subsequent weights may be used by calculating and using an adaptive weight. good.
  • fixed weights and adaptive weights may be used depending on the environment. For example, it may be properly used depending on the presence or absence of an obstruction when the GM mobile station is viewed from the GM base station, the presence or absence of a line of sight around the moving path of the moving body, the presence or absence of radio wave scatterers, and the like.
  • the GM mobile station communicates with the GM base station using a beam formed by beam forming.
  • the beam is beam-formed toward the GM base station.
  • the direction of the GM base station can be acquired from control information or a database. For example, you may receive the information regarding the geographical location of a GM base station from a high-order station apparatus via a macro base station. Further, based on the moving path of the moving body, the GM mobile station holds information in which the geographical position where the moving body exists at a predetermined time is stored in a database, and based on the current time and the geographical position of the GM mobile station. The position information of the GM base station may be estimated. In addition, as acquisition of the information regarding the geographical position of each base station or GM mobile station, for example, a GPS (Global Positioning System), a range sensor (also referred to as a laser scanner), or the like can be used.
  • GPS Global Positioning System
  • a range sensor also referred to as a laser scanner
  • the weight for beam forming of the GM mobile station is determined in advance based on the information obtained by the GM base station by acquiring information on the geographical position of the GM base station and the geographical position of the mobile body (or GM mobile station). It is preferable that an appropriate one is selected from the fixed weights thus formed to perform beam forming.
  • the fixed weight may be any weight that can form a beam in the direction in which the GM base station may exist when viewed from the mobile unit. For example, when the GM base station is configured to be arranged only in the right direction with respect to the traveling direction of the mobile body, the fixed weight may be set so that a beam in the right direction can be formed.
  • the beam forming weight of the GM mobile station may be selected by switching the above fixed weight at regular time intervals. For example, when the mobile body is moving normally according to a predetermined rule (for example, when a train is operating according to a timetable), the geographical position of the GM base station viewed from the mobile body at a predetermined time is specified. Since it is possible, switching at regular time intervals is preferable. In this case, since the relative positional relationship between the GM base station and the GM mobile station at a predetermined time is known without being measured by a sensor or the like, the geographical positions of the GM base station and the GM mobile station are known. The information regarding the beam forming can be appropriately performed without one or both of them. In addition, even when the information regarding both geographical positions described above is not required, it is clear that the beam is formed based on the geographical position in an indirect manner in relation to the time. .
  • the GM mobile station 120 grasps the position of the GM base station 130 and forms a beam with the weight W 2 ′. Thereafter, when the moving body 110 is located near the center of the moving path in FIG. 6, the weight W 1 ′ is used, and when it further moves to the right, W M ′ is used. In this way, communication with the GM base station 130 is performed while appropriately changing the weight.
  • M is the number of fixed weights defined for the GM mobile station 120.
  • the weight formation similarly to the case of the GM base station, the traffic amount relayed by the GM mobile station, the traffic configuration relayed by the GM mobile station, the type of the mobile unit, the vehicle configuration of the mobile unit, and the moving speed of the mobile unit Depending on the moving direction of the moving body, an adaptive weight may be used. Further, the GM mobile station may be configured to use adaptive weights based on the result of channel estimation of the radio signal from the GM base station.
  • a combination of fixed weights and adaptive weights may be used.
  • two-stage beam forming may be used in which initial connection is performed using fixed weights, and adaptive weights are calculated and used thereafter.
  • FIG. 7 is an overall configuration diagram of the GM mobile station according to the present embodiment.
  • the GM mobile station 120 includes a GM mobile station control unit 121, a GM cell communication unit 122, an existing system communication unit 123, and a mobile in-vehicle communication unit 124. And.
  • the GM mobile station control unit 121 relays communication between the user terminal and each base station and controls the entire GM mobile station.
  • the terminal connection type is determined.
  • you may have the function to buffer transmission / reception data.
  • the GM cell communication unit 122 may have a function of instructing beamforming parameters.
  • the GM mobile station control unit 121 can determine the connection form of the user terminal. Specifically, the selection of the connection form of the user terminal may be performed when control information is received from the communication unit for GM cell 122 or the communication unit for existing system 123, or based on the setting of the GM mobile station It may be carried out, or may be carried out when a connection request is received from the user terminal via the mobile communication unit 124.
  • the GM mobile station control unit 121 preferably has a function of acquiring the position of the GM base station. For example, information regarding the position of the GM base station can be received from the higher-level station device via the existing system communication unit 123. Moreover, you may hold
  • FIG. 8 is a basic configuration diagram of a GM cell communication unit or an existing system communication unit according to the present embodiment.
  • the GM cell communication unit 122 and the existing system communication unit 123 have the same hardware configuration. Therefore, when they are not distinguished below, they are collectively referred to as the mobile external communication unit 200.
  • the mobile external communication unit 200 includes a transmission / reception antenna 201 (antenna port), an amplifier unit 202, a transmission / reception unit 203, and a baseband signal processing unit 204.
  • the transmission / reception antenna 201 is configured by a plurality of antennas for MIMO transmission, but may be configured by a single antenna.
  • radio frequency signals received by a plurality of transmission / reception antennas 201 are respectively amplified by an amplifier unit 202, frequency-converted by a transmission / reception unit 203, and input to a baseband signal processing unit 204.
  • the baseband signal processing unit 204 performs FFT (Fast Fourier Transform) processing, error correction decoding, reception processing for retransmission control, and the like.
  • User data included in the downlink signal is transferred to the GM mobile station control unit 121. Also, broadcast information in the downlink signal is transferred to the GM mobile station control unit 121.
  • uplink user data is input from the GM mobile station control unit 121 to the baseband signal processing unit 204.
  • MAC Medium Access Control
  • HARQ Hybrid ARQ
  • channel coding for example, precoding, DFT (Discrete Fourier Transform, discrete Fourier transform) processing, IFFT (Inverse Fast Fourier Transform, inverse fast Fourier transform) processing and the like are performed and transferred to each transmitting / receiving unit 203.
  • the transmission / reception unit 203 converts the baseband signal output from the baseband signal processing unit 204 into a radio frequency band.
  • the amplifier unit 202 amplifies the frequency-converted radio frequency signal and transmits the amplified signal using the transmitting / receiving antenna 201.
  • the baseband signal processing unit 204 has a BF weight determining unit that determines a weight for beamforming the transmission beam during precoding.
  • the BF weight determination unit determines the weight so that the beam is beam-formed toward the GM base station.
  • the weight may be selected by switching a predetermined fixed weight at regular time intervals, or may be adaptively controlled according to the environment.
  • the adaptive weight may be calculated and used.
  • the GM mobile station may be configured to use adaptive weights based on the result of channel estimation of the radio signal from the GM base station.
  • the adaptive weight is the amount of traffic relayed by the GM mobile station, the traffic configuration relayed by the GM mobile station, the type of mobile unit on which the GM mobile station is mounted, the vehicle configuration of the mobile unit, the moving speed of the mobile unit, It can be controlled according to the moving direction of the moving body. Moreover, a fixed weight and an adaptive weight may be used in combination, or may be used properly depending on the environment. Also, beamforming based on feedback information from GM base stations such as CSI (Channel State Information) indicating channel state, AOA (Angle of Arrival) and AOD (Angle of Departure) used for weighting antenna elements May be performed.
  • CSI Channel State Information
  • AOA Angle of Arrival
  • AOD Angle of Departure
  • a sensor such as a camera, a radar, or an infrared ray may be provided. Further, the information may be transmitted to the GM base station and / or the base station of the existing system via the transmission / reception antenna 201 and used by these base stations and higher-level station apparatuses.
  • the transmitting / receiving antenna 201 is composed of a large number of antenna elements in order to form beam forming.
  • the existing system communication unit 123 may also include a BF weight determination unit, and the transmission / reception antenna 201 may include a plurality of antenna elements.
  • the mobile external communication unit 200 described above has a configuration in the case of using a DF relay.
  • the mobile external communication unit 200 may perform processing of the transmission / reception antenna 201 and the amplifier unit 202.
  • the in-mobile communication unit 124 performs communication between the GM mobile station and the user terminal in the mobile body.
  • the mobile communication unit 124 communicates with the user terminal by a wireless LAN that complies with the IEEE 802.11 related standard.
  • the communication method is not limited to this.
  • the mobile communication unit 124 may include a wired communication unit and a connector, and the user terminal connects to the mobile communication unit 124 and the wired unit by connecting to the connector using a predetermined cable. It is good also as a structure which implements communication.
  • the GM base station 130 includes a GM base station control unit and a GM base station communication unit (communication unit) 300.
  • the GM base station control unit performs communication with the user terminal via the GM mobile station and controls the entire GM base station. Further, the GM base station control unit may have a function of instructing the GM base station communication unit 300 of beam forming parameters. Moreover, the GM base station control part can determine the connection form of a user terminal. Specifically, the selection of the connection form of the user terminal may be performed when control information is received from the upper station apparatus, or may be performed by receiving the setting of the GM mobile station from the GM mobile station. However, it may be performed when a connection request is received from the user terminal via the GM mobile station.
  • the GM base station control unit preferably has a function of acquiring the position of the GM mobile station.
  • the GM base station may be provided with sensors such as a camera, a radar, and an infrared, and information regarding the geographical position of the GM mobile station may be acquired using them.
  • FIG. 9 is a basic configuration diagram of the GM base station communication unit according to the present embodiment.
  • the GM base station communication unit 300 includes a plurality of transmission / reception antennas 301 for MIMO transmission, an amplifier unit 302, a transmission / reception unit 303, a baseband signal processing unit 304, a call processing unit 305, It has.
  • the plurality of transmission / reception antennas 301 may be configured by antenna elements for Massive MIMO.
  • User data transmitted from the GM base station 130 to the user terminal 160 via the GM mobile station 120 via the downlink is input to the GM base station control unit from the higher station apparatus via the transmission path interface, and then the baseband signal The data is input to the processing unit 304.
  • PDCP layer processing In the baseband signal processing unit 304, PDCP layer processing, user data division / combination, RLC layer transmission processing such as RLC (Radio Link Control) retransmission control transmission processing, MAC retransmission control, scheduling, transmission format selection, channel Encoding, IFFT processing, and precoding processing are performed and transferred to each transmitting / receiving unit 303.
  • RLC layer transmission processing such as RLC (Radio Link Control) retransmission control transmission processing, MAC retransmission control, scheduling, transmission format selection, channel Encoding, IFFT processing, and precoding processing are performed and transferred to each transmitting / receiving unit 303.
  • the downlink control signal is also subjected to transmission processing such as channel coding and inverse fast Fourier transform, and is transferred to each transmitting / receiving unit 303.
  • Each transmission / reception unit 303 converts a downlink signal output by precoding from the baseband signal processing unit 304 for each antenna to a radio frequency band.
  • the amplifier 302 amplifies the frequency-converted radio frequency signal and transmits it by the transmission / reception antenna 301.
  • the radio frequency signal received by each transmission / reception antenna 301 is amplified by the amplifier unit 302, frequency-converted by each transmission / reception unit 303, converted into a baseband signal, and sent to the baseband signal processing unit 304. Entered.
  • the baseband signal processing unit 304 performs FFT processing, IDFT processing, error correction decoding, MAC retransmission control reception processing, RLC layer, PDCP layer reception processing on user data included in the input uplink signal, After being output to the GM base station control unit, it is transferred to the higher station apparatus via the transmission path interface.
  • the call processing unit 305 performs call processing such as communication channel setting and release, base station state management, and radio resource management.
  • the baseband signal processing unit 304 also includes a BF weight determining unit that determines a weight for beamforming the transmission beam during precoding.
  • the BF weight determination unit determines the weight so that the beam is beam-formed toward the GM mobile station.
  • the weight may be selected by switching a predetermined fixed weight at predetermined time intervals based on the movement path of the GM mobile station (that is, the mobile body), or is adaptively controlled according to the environment. A configuration may be used in which adaptive weights are calculated and used.
  • the transmission / reception antenna 301 is composed of a large number of antenna elements in order to form beam forming.
  • an adaptive weight may be used. Further, a fixed weight and an adaptive weight may be used in combination. Further, beam forming may be performed based on feedback information from a GM mobile station such as CSI, AOA, AOD, or the like.
  • the load on the existing wireless communication system can be reduced by offloading the communication related to the user terminal in the moving body to the group mobility by the dedicated system. Can be reduced. According to this configuration, it is possible to improve the system performance of the entire wireless communication system without changing the user terminal.

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Abstract

　同一の移動体内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ）に対して、システムパフォーマンスを向上すること。本発明の無線通信システムは、移動体内に存在する複数のユーザ端末における移動通信用の無線通信システムであって、前記移動体の移動経路上にセルを形成する無線基地局と、前記移動体に設置され、前記複数のユーザ端末と前記無線基地局との通信を中継する無線移動局と、を有する。これにより、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末に係る通信を専用システムによりオフロードすることで、既存の無線通信システムへの負荷を軽減でき、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスを向上することが可能となる。

Description

無線通信システム、無線移動局、及び無線基地局
　本発明は、同一の移動体内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ）における無線通信システム、無線移動局、及び無線基地局に関する。
　ＬＴＥ（Long　Term　Evolution）やＬＴＥの後継システム（例えば、ＬＴＥアドバンスト、ＦＲＡ（Future　Radio　Access）、４Ｇなどともいう）では、半径数百メートルから数キロメートル程度の相対的に大きいカバレッジを有するマクロセルと重複して、半径数メートルから数十メートル程度の相対的に小さいカバレッジを有するスモールセル（ピコセル、フェムトセルなどを含む）が配置される無線通信システム（例えば、Heterogeneous　networkともいう）が検討されている（例えば、非特許文献１）。
　かかる無線通信システムでは、マクロセルとスモールセルとの双方で同一の周波数帯を用いるシナリオ（例えば、co-channelともいう）や、マクロセルとスモールセルとで異なる周波数帯を用いるシナリオ（例えば、separate　frequencyともいう）が検討されている。具体的には、後者のシナリオでは、マクロセルにおいて、相対的に低い周波数帯（例えば、２ＧＨｚ）を用い、スモールセルにおいて相対的に高い周波数帯（例えば、３．５ＧＨｚ、１０ＧＨｚなど）を用いることも検討されている。
　ところで、従来の無線通信システムでは、同一の移動体（例えば、電車、バス、船など）内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ、Group　mobility、ＧＭなどとも呼ばれる）において、各端末が個別に無線基地局との通信を行う。このため、制御信号による負荷、端末間干渉などによってシステムパフォーマンスが低下してしまう恐れがあった。特に、多数のユーザ端末を含んだ移動体がセル境界を通過する場合に、システムパフォーマンスの低下が顕著になるという課題があった。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、グループモビリティに対して、システムパフォーマンスを向上する無線通信システム、無線移動局及び無線基地局を提供することを目的とする。
　本発明の無線通信システムは、移動体内に存在する複数のユーザ端末における移動通信用の無線通信システムであって、前記移動体の移動経路上にセルを形成する無線基地局と、前記移動体に設置され、前記複数のユーザ端末と前記無線基地局との通信を中継する無線移動局と、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、同一の移動体内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ）に対して、システムパフォーマンスを向上することができる。
本実施の形態に係る無線通信システムが適用されるネットワーク構成の概念図の一例である。 本実施の形態に係る無線通信システムの概略説明図である。 本実施の形態に係るＧＭ移動局の概略説明図である。 本実施の形態に係るユーザ端末と各基地局との通信の動作の説明図である。 本実施の形態に係るユーザ端末の接続形態決定に係るフローチャートである。 本実施の形態に係るＧＭ基地局及びＧＭ移動局の無線制御に係る動作の説明図である。 本実施の形態に係るＧＭ移動局の全体構成図である。 本実施の形態に係るＧＭセル用通信部又は既存システム用通信部の基本構成図である。 本実施の形態に係るＧＭ基地局通信部の基本構成図である。
　図１は、本実施の形態に係る無線通信システムが適用されるネットワーク構成の概念図の一例である。図１に示すネットワーク構成は、マクロセルを形成する無線基地局（以下、マクロ基地局又はＭｅＮＢ（Macro　eNodeB）という）、各スモールセルを形成する無線基地局（以下、スモール基地局又はＳｅＮＢ（Small　eNodeB）という）、マクロ基地局及びスモール基地局の少なくとも一つと通信するユーザ端末（ＵＥ：User　Equipment）とを含む。図１においては、移動体（電車）が、所定の移動経路（線路）に沿って移動しており、多数のユーザ端末が移動体に内包されている。また、図１では、スモール基地局が、マクロセルがカバーする範囲（カバレッジエリア、セルエリア）と重畳（オーバーレイ）してスモールセルを形成するネットワーク構成を示している。
　図１に示すネットワーク構成では、マクロセルにおいて相対的に低い周波数帯（以下、低周波数帯という）のキャリアＦ１（例えば、２ＧＨｚ帯）を用い、スモールセルにおいて相対的に高い周波数帯（以下、高周波数帯という）のキャリアＦ２（例えば、３．５ＧＨｚ帯、１０ＧＨｚ帯など）を用いることが検討されている。なお、本実施の形態に係る無線通信システムが適用されるネットワーク構成は、図１に示した構成に限られない。例えばスモール基地局がない場合であっても適用可能である。
　低周波数帯のキャリアＦ１を用いるマクロセルにおいて、カバレッジ確保やモビリティサポートを行い、高周波数帯のキャリアＦ２を用いるスモールセルにおいて、容量増大やオフロードを行うこと（Macro-assisted、Ｃ／Ｕ-plane　splitなどともいう）も検討されている。例えば、ユーザ端末がマクロ基地局及びスモール基地局の双方に接続可能である場合、制御メッセージを取り扱う制御プレーン（Ｃ（Ｃｏｎｔｒｏｌ）－ｐｌａｎｅ）をマクロセルによってサポートし、ユーザデータを取り扱うユーザプレーン（Ｕ（Ｕｓｅｒ）－ｐｌａｎｅ）をスモールセルによってサポートするよう分離して制御することができる。
　ここで、周波数ｆに比例して、パスロス（path-loss、伝搬損失）が増加する。このため、高周波数帯のキャリアＦ２が用いられるスモールセルでは、ＭＩＭＯ（Multiple　Input　Multiple　Output）、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ（３次元（３Ｄ）／Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯともいう）などによるビームフォーミングを適用することで、パスロスを補償することが検討されている。
　ここで、ビームフォーミング（ＢＦ）とは、複数のアンテナ素子において、それぞれの送受信信号に対して振幅、位相を制御することによって、送受信ビームに指向性を持たせ、かつビームの形状を変更できる技術である。このビームフォーミングにおいては、一般にアンテナ素子数が多いほど高度な制御が可能である。言い換えると、アンテナ素子数に応じてビーム数、各ビームの形状（水平面におけるビームの幅、垂直面におけるビームの幅等）、ビームの方向及び利得を詳細に制御できる。例えば、ビームの幅を狭くすること（すなわち、細いビームを形成すること）により、高い利得（電力密度）を得ることができる。
　Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ伝送方式では、多数（例えば、１００個以上）のアンテナ素子を用いてデータを送信することでデータレート（周波数利用効率）を向上させる。大量のアンテナ素子を用いてデータを送信することから、少数のアンテナ素子を用いる場合と比べて多重化に伴う伝送効率を改善でき、従来よりも高速な無線通信が可能となる。また、多数のアンテナ素子の組合せにより高度なビームフォーミングが可能となる。
　図１に示すネットワーク構成において、ユーザ端末（ＵＥ）は、マクロセル内に位置する場合にはマクロ基地局と通信可能に構成され、スモールセル内に位置する場合にはスモール基地局と通信可能に構成される。また、スモールセル内に位置する場合にはスモール基地局に加えてマクロ基地局とも通信可能に構成されても良い。このように、利用周波数の異なる複数の無線通信システムを同時に用いて通信することを、リンクアグリゲーション（Link　aggregation）とも呼ぶ。なお、本実施の形態におけるユーザ端末は、移動端末装置も固定端末装置も含む。
　図１に示すネットワーク構成において、マクロ基地局及びスモール基地局は、上位局装置（中央制御局、上位ノードとも呼ばれる）と接続される。この上位局装置は、コアネットワークに接続される。中央制御局には、例えば、アクセスゲートウェイ装置、無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）、モビリティマネジメントエンティティ（ＭＭＥ）等が含まれる。なお、上位局装置の一部又は全部の機能をマクロ基地局に設けた構成としてもよい。
　ところで、従来の無線通信システムでは、１つの移動体（例えば、電車、バス、船など）内に存在する多数の端末における移動通信（グループモビリティ、Group　mobility）において、各端末が個別に無線基地局との通信を行う。その結果、制御信号による負荷、端末間干渉などによってシステムパフォーマンスが低下してしまう恐れがあった。
　例えば、図１において、移動体がマクロセル境界を通過する場合には、移動体内の各ユーザ端末がハンドオーバを一斉に実施するため、ハンドオーバを制御するためのプロセスが大量に発生してしまい、システムパフォーマンスが低下する。
　また、移動体の移動に伴う高速なチャネル変動により、無線基地局及び移動体内のユーザ端末が正確なプリコーディングを行うことができない場合、端末間干渉が生じ、通信パフォーマンスが低下する。また、移動体内のユーザ端末は、高速変動するチャネルに追従するために、無線基地局から送信される参照信号を用いたチャネル推定を頻繁に行う必要があるが、多数のユーザ端末がそれぞれ独自にチャネル推定する場合、参照信号の送信や、チャネル状態情報（ＣＳＩ）のフィードバックによるオーバヘッドが大きく、システムパフォーマンスが低下する。
　このように、複数のユーザ端末を含んだ移動体の移動に伴って高密度なトラフィック（通信量）の発生源が移動することとなる。そのため、移動体の移動経路周辺の無線基地局においては、移動体がセル内に存在する場合（特に、移動体が外部からセルに入ってきた場合）には高負荷が発生し、移動体がセル外に移動すると負荷が急激に減少する。したがって、無線通信システムのネットワークが不安定となってしまう恐れがあった。
　そこで、本発明者らは、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末に係る通信を専用システムによりオフロードすることで、既存の無線通信システムへの負荷を軽減できることを着想し、本発明に至った。この構成によれば、ユーザ端末に変更を加えることなく、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスを向上することが可能となる。
　以下、本実施の形態に係る無線通信システムを詳細に説明する。図２は、本実施の形態に係る無線通信システム（無線通信システム１００）の概略構成図である。図２に示す無線通信システム１００は、例えば、ＬＴＥシステム、ＬＴＥ－Ａシステム、ＩＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、４Ｇ、ＦＲＡ（Future　Radio　Access）などであっても良い。以下では、本実施の形態について、移動体が電車である場合を例に説明するが、これに限られるものではない。
　図２に示すように、無線通信システム１００は、移動体１１０と、移動体１１０に搭載されるＧＭ移動局１２０と、ＧＭセル１８０（１８０ａ、１８０ｂ）を形成するＧＭ基地局１３０と、マクロセルを形成するマクロ基地局１４０と、スモールセルを形成するスモール基地局１５０と、移動体１１０に内包される複数のユーザ端末１６０と、から構成される。本実施の形態に係る無線基地局（以下、専用基地局とも呼ぶ）は、ＧＭ基地局１３０であり、本実施の形態に係る無線移動局（以下、専用移動局とも呼ぶ）は、ＧＭ移動局１２０である。なお、図２では、簡単のため、マクロセル及びスモールセルは省略している。また、本実施の形態に係る無線通信システムの構成は、図２に示した構成に限られない。例えば、マクロ基地局１４０及びスモール基地局１５０の一方又は双方がない場合であっても適用可能である。
　移動体１１０は、所定の経路を移動する物体である。移動体１１０は、例えば、電車、バス、船などである。
　ＧＭ移動局１２０は、移動体１１０に設置され、移動体１１０内部に含まれるユーザ端末１６０と、ＧＭ基地局１３０、マクロ基地局１４０及びスモール基地局１５０との通信を中継する。　
　ＧＭ移動局１２０の送受信アンテナは、複数のアンテナ素子を有するＭＩＭＯ構成であることが好ましい。当該構成により、ビームフォーミングを利用して、移動体１１０の移動に伴う各基地局の相対的な位置の変化に好適に追従することができ、安定した通信品質を保証することが可能となる。また、より多数のアンテナ素子（例えば、アンテナ素子数が１０２４個）を有するＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ構成であれば、さらに高度なビームフォーミングが可能で、さらに高い品質の通信が可能である。
　ＧＭ基地局１３０は、移動体の移動経路をカバーするセル（ＧＭセル）を形成する基地局であり、移動体１１０の移動経路に沿って設置される。ＧＭ基地局１３０は、移動体１１０に搭載されるＧＭ移動局１２０を介してユーザ端末１６０との通信を行う。また、ＧＭ基地局１３０を、ＧＭ移動局１２０用の専用基地局として利用することも可能である。ＧＭ基地局１３０は、移動体１１０の移動経路に沿って、複数設置されても良い。図２においては、ＧＭセル１８０ａを形成するＧＭ基地局１３０ａ及びＧＭセル１８０ｂを形成するＧＭ基地局１３０ｂの２つのＧＭ基地局が設置されている。
　ＧＭ基地局１３０の設置場所は、移動体１１０の移動経路に近く、移動経路を広くカバーできることが好ましい。例えば、移動体１１０が電車である場合には、ＧＭ基地局１３０の設置場所として線路の脇が好適である。なお、本実施の形態に係る無線通信システムの構成は、図２に示した構成に限られない。例えば、図２においては、ＧＭセル１８０ａ及び１８０ｂは重なる部分があるが、本実施の形態は、ＧＭセル同士がオーバラップしない場合にも適用できる。
　ＧＭ基地局１３０の送受信アンテナは、複数のアンテナ素子を有するＭＩＭＯ構成であることが好ましい。当該構成により、ビームフォーミングを利用して、移動体１１０の移動に好適に追従し、安定した通信品質を保証することが可能となる。また、より多数のアンテナ素子（例えば、アンテナ素子数が１０２４個）を有するＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ構成であれば、さらに高度なビームフォーミングが可能となり、さらに高い品質の通信が可能である。
　マクロ基地局１４０は、相対的に広いカバレッジを有するセル（マクロセル）を形成する無線基地局であり、ＧＭ移動局１２０及びユーザ端末１６０と通信することができる。なお、マクロ基地局は、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）、無線基地局、送信ポイント（transmission　point）などと呼ばれてもよい。
　スモール基地局１５０は、局所的なカバレッジを有するセル（スモールセル）を形成する無線基地局であり、ＧＭ移動局１２０及びユーザ端末１６０と通信することができる。なお、スモール基地局は、ＲＲＨ（Remote　Radio　Head）、ピコ基地局、フェムト基地局、Ｈｏｍｅ　ｅＮｏｄｅＢ、送信ポイント、ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）などと呼ばれてもよい。また、スモール基地局１５０は、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ伝送方式により通信を行うことができるＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ基地局であっても良い。また、ロードバランスを考慮した結果、移動体１１０が接近した場合、ＧＭ移動局１２０およびユーザ端末１６０と通信しないように、移動経路に対するスモールセルのカバレッジエリアを一時的に縮小することも可能である。
　本実施の形態において、マクロセル及びスモールセルは、ＧＭセルと比較して、周波数、通信方式及びカバレッジエリアのうち少なくとも１つが異なるセルである。したがって、ＧＭセルはマクロセル及びスモールセルと低干渉の通信が実現できる。通信方式としては、例えばＬＴＥ、ＬＴＥ－Ａ、ＩＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ、４Ｇ、ＦＲＡと呼ばれる通信方式が利用できる。なお、通信方式はこれに限られない。
　ＧＭ基地局１３０、マクロ基地局１４０及びスモール基地局１５０は、それぞれ上位局装置に接続され、上位局装置を介してコアネットワークに接続される。なお、上位局装置には、例えば、アクセスゲートウェイ装置、無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）、モビリティマネジメントエンティティ（ＭＭＥ）などが含まれる。また、ＧＭ基地局１３０、マクロ基地局１４０及びスモール基地局１５０は、それぞれ基地局間で有線接続されてもよいし、無線接続されてもよい。
　ユーザ端末１６０は、ＬＴＥ、ＬＴＥ－Ａ、ＦＲＡなどの各種通信方式に対応した端末であり、移動通信端末だけでなく固定通信端末を含んでよい。また、ユーザ端末１６０は、ＧＭ移動局１２０、マクロ基地局１４０及びスモール基地局１５０と単独で通信可能である。
（ＧＭ移動局の基本構成）
　図３を参照して、本実施の形態に係るＧＭ移動局の基本構成を説明する。図３は、本実施の形態に係るＧＭ移動局の概略説明図であり、移動体１１０における１つの車両１１１にＧＭ移動局１２０が配置される場合を例に説明する。本実施の形態においては、１つの移動体１１０に対して１つのＧＭ移動局１２０が設置される。ただし、これに限られず、１つの移動体１１０に対して複数のＧＭ移動局１２０を設置する構成としても良い。
　ＧＭ移動局１２０は、ＭＩＭＯを構成するために多数のＧＭセル用アンテナ素子を有する。ここで、ＧＭセル用アンテナ素子数は、ＧＭ基地局が具備するアンテナ素子数と同等であることが好ましい。また、ＧＭセル用アンテナ素子は、移動体の全体に均等に分散して配置されることが好ましい。例えば、１０２４素子のＧＭセル用アンテナ素子を１６両で構成される車両に配置する場合には、各車両に６４素子ずつアンテナ素子を配置する構成とすることができる。
　このようなアンテナ素子の分散配置により、分散アンテナＭＩＭＯによる空間多重効果が得られると共に、ＧＭセル間のハンドオーバを好適に行うことができる。なお、アンテナ素子の配置及び配線に係るコスト低減を優先させたい場合には、アンテナ素子を集中して配置しても良い。特に、１箇所に集中配置することにより、設置に係るコストを好適に低減することができる。
　また、ＧＭ移動局１２０は、マクロセル用、スモールセル用のアンテナ及び送受信機を搭載しており、マクロセル及びスモールセルの信号を移動体内に中継する。これにより、ユーザ端末の通信に係る接続の安定性を保証すると同時に、マクロセル及びスモールセルと複数のユーザ端末との通信をＧＭ移動局１２０が統括することで、各ユーザ端末が個別に各セルと通信する場合に比べて、マクロセル、スモールセルが要する制御信号、参照信号などの通信オーバヘッドを削減することができる。また、このような構成を採用することで、Ｃ／Ｕ-planeを好適に分離することができ、処理能力と回線容量を適切に変更することが可能となる。
　なお、マクロセル、スモールセル用のアンテナは、図３に示すように１つの移動体１１０に１つずつのみ配置しても良いし、１つの移動体１１０に複数設置して、空間的ダイバーシティ効果又は空間多重化効果などにより外部からの受信性能を向上しても良い。
　ここで、ＧＭ移動局１２０におけるユーザ端末への信号及びユーザ端末からの信号の中継方法としては、ＤＦ（Decode　and　Forward）型中継技術及びＡＦ（Amplify　and　Forward）型中継技術を利用する。ただし、信号の中継方法はこれに限られない。
　ＤＦ型中継技術は、ＤＦリレー、レイヤ２リレーなどとも呼ばれる。ＤＦ型中継技術は、受信したＲＦ（Radio　Frequency）信号を復調及び復号した後、送信先に適した形式で再度符号化及び変調を行い、送信する中継技術である。例えば、ＧＭセルから受信した信号を、ユーザ端末１６０が利用可能で、最適な通信形式で送信する。ＤＦリレーによれば、雑音を好適に除去することができる。また、移動体１１０内部においては、ユーザ端末の移動が少なく、無線伝搬路が比較的に安定していると考えられるため、移動体１１０内部の伝搬路に応じた最適な通信方法を用いることにより、通信スループット改善効果が期待できる。
　ＤＦ型中継を行う場合、ＧＭ移動局１２０は移動体１１０内部に対して、一般的に言う基地局の役割を果たす。具体的には、移動体１１０内部の多数のユーザ端末の通信（トラフィック）を一旦ＧＭ移動局１２０にて集約する。ユーザ端末は、ＧＭ移動局１２０を基地局として認識し、通常の基地局との通信と同じように、ＧＭ移動局に対して通信を行う。さらに、ＧＭ移動局は、移動体外部のＧＭ基地局、マクロ基地局、スモール基地局などに対して、一つの移動局として振る舞い、内部のユーザ端末から一旦集約した通信（トラフィック）をＧＭ基地局などに対し行う。複数ユーザ端末の通信を一旦集約することによって、ユーザ端末における制御信号（Ｃ－Ｐｌａｉｎ）によるオーバヘッドを削減し、通信スループットを改善することが可能である。
　移動体１１０は、所定の車両に張り出した内部用アンテナを有する。当該内部用アンテナは、各車両に具備されることが好ましいが、少なくとも１つの車両に具備されていれば良い。ＧＭ移動局１２０が信号をＤＦリレーで中継する場合には、内部用アンテナを介して、所定の無線伝送技術を用いて移動体内部のユーザ端末と無線通信を行う。当該無線伝送技術としては、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に準拠した無線ＬＡＮを用いることができる。なお、これに限られず、移動体１１０内にＧＭ移動局１２０と有線接続するための通信用コネクタを有し、ユーザ端末を当該通信用コネクタに接続することで、ＧＭ移動局１２０と有線通信を行っても良い。また、移動体１１０内の照明（ＬＥＤ照明、有機ＥＬ照明など）によって、可視光線帯域の電磁波を用いた可視光通信などを利用しても良い。
　ＡＦ型中継技術は、ＡＦリレー、レイヤ１リレーなどとも呼ばれる。ＡＦ型中継技術は、受信したＲＦ信号を電力増幅して送信する中継技術である。ＧＭ移動局１２０がマクロセル用、スモールセル用アンテナを各車両に張り出している場合には、ＡＦ型中継技術が好適である。ＡＦリレーは、低コストな機器で実現することができると共に、低遅延、低消費電力の通信に好適である。さらに、マクロセルとの通信が少ない電力で可能になるため、移動体外に存在するマクロセルに在圏するユーザ端末への干渉低減効果もある。
　ＧＭ移動局が信号をＡＦリレーで中継する場合には、ＤＦリレーの場合と同様に、所定の車両に張り出したアンテナを用いてユーザ端末と無線通信を行う。
（移動体内の端末動作）
　次に、図４を参照して、本実施の形態に係るユーザ端末と各基地局との通信の動作を説明する。図４は、本実施の形態に係るユーザ端末と各基地局との通信の動作の説明図であり、移動体１１０における１つの車両１１１にＧＭ移動局１２０が配置される場合を例に説明する。
　移動体内のユーザ端末と各基地局との接続形態（以下、接続形態と呼ぶ）は、ユーザ端末の接続要求やネットワーク状態などに基づいて制御する。本実施の形態に係るユーザ端末の接続形態としては、ＧＭ移動局、従来システムなどとの接続の有無により、様々な形態が考えられるが、一般的に考えられる例として、以下の３つが選択可能である。
　第１の接続形態は、基本形態である。第１の接続形態では、ユーザ端末はＧＭ移動局とのみ接続し、マクロ基地局やスモール基地局との直接の通信は行わない。図４においては、ユーザ端末１６０ｂ－１６０ｅが、第１の接続形態で通信を実施している。なお、ユーザ端末１６０ｂは、後述する第２の接続形態から第１の接続形態に切り替わった直後の状態であり、マクロセル、スモールセルへの接続は切断し、ＧＭ移動局１２０とのみ接続している。また、ユーザ端末１０６ｅは、有線によりＧＭ移動局１２０と接続している。
　第２の接続形態は、高パフォーマンス形態である。第２の接続形態では、ユーザ端末はＧＭ移動局との接続に加えて、マクロ基地局及び／又はスモール基地局とも接続する。つまり、第２の接続形態において、ユーザ端末は、複数の無線通信回線を束ねた通信（リンクアグリゲーション）を実施することになる。したがって、第２の接続形態を利用することにより、ユーザ端末においては、ＧＭ移動局とユーザ端末の連携による通信パフォーマンスの向上が達成できる。図４においては、ユーザ端末１６０ｆが、第２の接続形態で通信を実施している。また、第２の接続形態において、ユーザ端末はマクロ基地局／スモール基地局と直接接続する代わりに、ＧＭ基地局がＡＦリレーする信号により当該基地局と通信を行っても良い。
　第３の接続形態は、低パフォーマンス形態（低消費電力形態）である。第３の接続形態では、ユーザ端末はＧＭ移動局からのＡＦリレーによってマクロセルと接続する。なお、ＤＦリレーは第１、第２の接続形態で利用される。第３の接続形態においては、ＧＭ移動局がない場合に比べて、ユーザ端末においてマクロ基地局からの信号の受信強度を大きくすることができるため、ユーザ端末の信号受信に係る消費電力が削減可能である。また、マクロセルとの通信が少ない電力で可能になるため、マクロセルに在圏する移動体外のユーザ端末への干渉低減効果もある。図４においては、ユーザ端末１６０ａが、第３の接続形態で通信を実施している。
　上記３つの接続形態は、上位局装置からの制御情報、ＧＭ移動局の設定情報又はユーザ端末の接続要求に基づいて決定する。また、接続形態は、本実施の形態ではＧＭ移動局によって決定され、ユーザ端末に通知されるが、これに限られない。例えば、ＧＭ基地局又は上位局装置によって決定され、ＧＭ移動局を介してユーザ端末に接続形態を指定する構成としても良い。
　図５に、本実施の形態に係るユーザ端末の接続形態決定に係るフローチャートを示す。なお、図５におけるフローチャートにおいては、ＧＭ移動局が通信可能な基地局として、ＧＭ基地局及びマクロ基地局がある場合を想定しているが、スモール基地局があっても良い。スモール基地局がある場合は、図５の各処理において「マクロ基地局」を「スモール基地局」又は「マクロ基地局／スモール基地局」と読み替えることができる。
　まず、ユーザ端末は、ＧＭ移動局と接続する（ステップＳＴ１０）。ユーザ端末がＧＭ移動局と接続を確立できた場合に、フローチャートの以降のステップを実施するものとする。なお、ユーザ端末がＧＭ移動局と接続が確立できない場合は、ユーザ端末は、ＧＭ移動局によらず、個別にマクロセルやスモールセルとの通信を実施する。
　ＧＭ移動局は、接続が確立されているユーザ端末の接続形態を、上述した第１－第３の接続形態から選択する。ここで、ユーザ端末の接続形態の選択は以下の３つの少なくとも１つに基づいて実施する。なお、接続形態の選択は、特定のユーザ端末に対して行っても良いし、複数のユーザ端末に対して行っても良い。
　ＧＭ移動局が制御情報を受信した場合（ステップＳＴ２０）、ユーザ端末の接続形態の選択を実施する（ステップＳＴ３０）。例えば、上位局装置から、各基地局を介して制御情報を受信した場合に、接続形態の選択を実施する。この場合、ユーザ端末の接続形態は、上位局装置が選択しても良いし、上位局装置からの制御情報を受信したＧＭ基地局が選択しても良いし、いずれかの基地局から制御情報を受信したＧＭ移動局が選択しても良い。また、制御情報は、ユーザ端末の接続形態の選択に利用することができる情報であれば良く、形式は特に限定されない。例えば、制御情報は、所定の接続形態に変更するように指示する情報であっても良いし、特定のユーザ端末の通信性能を増大させる又は低減させるように指示する情報であっても良い。
　また、ＧＭ移動局の設定に基づいて（ステップＳＴ２１）、ユーザ端末の接続形態の選択を実施する（ステップＳＴ３０）。例えば、接続が確立されているユーザ端末のトラフィック量をＧＭ移動局が観測している場合には、トラフィック量が増加してきたなどの環境に応じて特定のユーザ端末の接続形態を変更することができる。なお、ＧＭ移動局の設定に基づく接続形態の選択は、任意のタイミングで実施しても良い。
　また、ＧＭ移動局がユーザ端末から接続要求を受けた場合（ステップＳＴ２２）、ユーザ端末の接続形態の選択を実施する（ステップＳＴ３０）。例えば、新しいユーザ端末からの接続要求を受けた場合、既に接続済みのユーザ端末を考慮に入れて、各ユーザ端末の接続形態を変更することができる。なお、ステップＳＴ２２は、ステップＳＴ１０と同時に並行して実施しても良い。
　ユーザ端末の接続形態が決定したら、次に当該接続形態が基本形態であるか否かを判定する（ステップＳＴ４０）。接続形態が基本形態であると判定された場合（ステップＳＴ４０－ＹＥＳ）、ユーザ端末はマクロ基地局との直接接続を確立済みであれば、当該接続を切断する（ステップＳＴ５０）。
　一方、接続形態が基本形態でないと判定された場合（ステップＳＴ４０－ＮＯ）、次に接続形態が高パフォーマンス形態であるか否かを判定する（ステップＳＴ４１）。接続形態が高パフォーマンス形態であると判定された場合（ステップＳＴ４１－ＹＥＳ）、ユーザ端末はマクロ基地局との直接接続を確立していなければ、当該接続を確立する（ステップＳＴ５１）。
　ステップＳＴ５０又はＳＴ５１の後、ＧＭ移動局はＧＭ基地局及び／又はマクロ基地局との接続を適宜確立する（ステップＳＴ６０）。なお、特定のユーザ端末はＧＭ基地局と接続し、他のユーザ端末はマクロ基地局と接続するなど、接続の構成は適宜変更することができる。
　また、接続形態が高パフォーマンス形態でないと判定された場合（ステップＳＴ４１－ＮＯ）、接続形態は低パフォーマンス形態（低消費電力形態）である。したがって、ユーザ端末はマクロ基地局との直接接続を確立済みであれば、当該接続を切断する（ステップＳＴ５２）。また、ＧＭ移動局はマクロ基地局からの信号及びマクロ基地居への信号をユーザ端末にＡＦリレーする（ステップＳＴ６２）。
　なお、ＧＭ移動局は、ユーザ端末及び／又は各基地局からの通信をバッファする構成を有しても良い。基地局からＧＭ移動局への下り通信の場合、ＧＭ移動局は、ユーザ端末が所望する大容量なデータの一部を事前に基地局より取得し、バッファすることによって、ＧＭ基地局などがカバーしていない場所に移動体が移動するなどして通信が中断された場合においても、事前にバッファに保存されたデータをユーザに提供し続けることが可能である。また、上り通信の場合、ＧＭ基地局などがカバーしていない場所に移動体が移動するなどしてＧＭ基地局などとの通信が中断された場合、端末からのデータを一旦バッファに保存し、通信が回復した場合に、適切な送信先に送信することができる。
　具体的には、移動体がＧＭセルのカバレッジエリア外（つまり、ＧＭセルと通信不可能な地理的位置）に存在する場合には、ＧＭ基地局との通信を中継していたユーザ端末に対して、上りの送信データをバッファしておいて、再び移動体がＧＭセルのカバレッジエリア内に移動した際に、当該バッファしたデータをＧＭ基地局に送信しても良い。また、ＧＭ移動局がＧＭセルからユーザ端末への通信を中継できない場合には、ＧＭ基地局からの下りの送信データをバッファしておいて、再びＧＭ移動局がユーザ端末に対して通信を中継できるようになった際に、当該バッファしたデータをユーザ端末に送信しても良い。
　以上、本実施の形態に係る無線通信システムによれば、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末に係る通信を専用システムによりオフロードすることで、既存の無線通信システムへの負荷を軽減でき、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスを向上することが可能となる。
（ＧＭ基地局及びＧＭ移動局の無線制御）
　図６を参照して、本実施の形態に係るＧＭ基地局及びＧＭ移動局の無線制御に係る動作を説明する。図６は、本実施の形態に係るＧＭ基地局及びＧＭ移動局の無線制御に係る動作の説明図であり、移動体１１０（電車）が移動経路（線路）に沿って左から右に移動する場合において、ＧＭ基地局及びＧＭ移動局の形成するビーム、そして当該ビームに対応するウェイトが示されている。
　本実施の形態に係るＧＭ基地局は、ビームフォーミング（ＢＦ）により形成したビームを用いて、ＧＭ移動局と通信する。ここで、当該ビームは、ＧＭ基地局がカバーする移動局の移動経路の形状、幅、移動方向などに応じて事前に決定されたＢＦ用固定ウェイト（以下、固定ウェイトと呼ぶ）から適切なものを選択して形成されることが好ましい。なお、移動体がＧＭ用アンテナを複数搭載しており、当該複数のアンテナが異なる車両にあるなど離れて配置される場合には、各アンテナに対して複数のビームを同時に送受信して多重化することにより、空間的ダイバーシティ効果、空間多重化効果などを得ることができる。
　ＧＭ基地局のビーム形成のウェイトは、上記の固定ウェイトを一定時間間隔で切り替えることにより選択しても良い。例えば、移動体が規則に従って移動している場合（時刻表通りに電車が運行している場合など）には、移動体が所定の時刻に存在する地理的位置は特定可能であるため、一定時間間隔での切り替えが好適である。
　図６に示すように、線路に移動体１１０（電車）が左側から移動してきた場合を例に説明する。この際、ＧＭ基地局１３０は移動体１１０が搭載するＧＭ移動局１２０の位置を把握し、ウェイトＷ１によりビームを形成する。その後、所定の時間間隔毎にウェイトの更新を実施し、ウェイトＷ２、Ｗ３、…、ＷＮというように、適宜ウェイトを変更しつつＧＭ移動局１２０との通信を実施する。ここで、ＮはＧＭ基地局１３０に規定されている固定ウェイトの個数である。
　また、ウェイト形成については、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などに応じて、適応的に制御される構成としても良い。以下、適応的に制御されるＢＦ用ウェイトを適応的ウェイトと呼ぶ。
　ここで、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量及びトラフィック構成は、ＧＭ移動局の中で通信データを観測することにより、取得することができる。トラフィック量としては、通信データの情報量を用いても良いし、単位時間当たりの通信データの情報量を用いても良い。また、トラフィック構成とは、例えば、動画データが多い、特定のサイトに接続するユーザ端末が多いなどのトラフィック内容に関する直接的又は間接的なデータのことをいう。また、トラフィック量及びトラフィック構成については、移動体全体についての情報でなく、移動体の所定の部分についての情報であっても良い。例えば、車両２両目の通信量が多いという情報であっても良い。トラフィック量及びトラフィック構成に基づくことにより、将来の通信量を予測して事前にビームを強くしておくなどの制御が可能となる。
　移動体の種類としては、例えば、「電車」や「バス」のような大まかな情報であっても良いし、「所定の路線の特急電車」のような詳細な情報であっても良い。また、移動体の車両構成は、例えば「１６両編成」のような単に車両数を示した情報であっても良いし、ＧＭ用アンテナが搭載された車両の位置や、当該車両におけるアンテナの数を示す情報であっても良い。
　さらに、移動体の種類、車両構成、移動速度及び移動方向などは、ＧＭ基地局又はＧＭ移動局に設置されたセンサ（カメラ、レーダ、赤外線など）により取得しても良いし、移動体の位置情報、ドップラーシフトによる推定、制御情報などから取得する構成としても良い。また、移動速度及び移動方向をセンサで容易に取得できるようにするために、移動体にマーカなどの目標を設置しても良い。また、目標として、移動体の種類、車両構成などの情報を含んだバーコードなどを利用することで、高速な移動体であっても、上記情報をカメラなどによって好適に取得することができる。さらに、移動体の移動速度、移動方向などのリアルタイムな情報を電子的に表示できる装置（例えば、液晶ディスプレイなど）によって表示し、カメラなどによる認識で情報取得することも可能である。
　なお、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などの適応的ウェイトの生成に利用される情報は、固定ウェイトを決定するために利用しても良い。また、上記情報のうち、ＧＭ移動局で観測されるものについては、ＧＭ移動局がＧＭ基地局及び／又は既存システムの基地局に送信して、これらの基地局及び上位局装置で利用する構成としても良い。例えば、上記情報をＧＭ移動局がマクロ基地局に送信し、マクロ基地局が上位局装置に通知し、上位局装置がＧＭ基地局に通知することで、ＧＭ基地局は接続を確立していないＧＭ移動局についても適切にウェイトを選択することが可能となる。
　適応的ウェイトとしては、ビーム種類（ビーム幅、ビームの送信電力など）を変えても良い。例えば、移動体の移動速度が高速である場合には、ビーム幅を広くし、移動体の移動速度が低速である場合には、ビーム幅を狭くするように構成しても良い。
　また、適応的ウェイトとして、ウェイトの切り替え間隔を変更しても良い。例えば、移動体の移動速度が高速である場合には、切り替え間隔を短くし、移動体の移動速度が低速である場合には、切り替え間隔を長くするように構成しても良い。
　また、上述した固定ウェイト及び適応的ウェイトを組み合わせて利用しても良い。例えば、移動体がＧＭ基地局のカバレッジエリアの端に入ってきたときは、固定ウェイトにより初期接続を行い、その後のウェイトは適応ウェイトを算出して利用するという２段階のビームフォーミングを用いても良い。
　また、固定ウェイト及び適応的ウェイトを環境によって使い分けても良い。例えば、ＧＭ基地局からＧＭ移動局を見たときの遮蔽物の有無、移動体の移動経路周囲の見通しの有無、電波の散乱物の有無などによって、使い分けを行っても良い。
　一方、本実施の形態に係るＧＭ移動局は、ビームフォーミングにより形成したビームを用いて、ＧＭ基地局と通信する。ここで、当該ビームは、ＧＭ基地局の方向に向けてビームフォーミングされる。ＧＭ基地局の方向は、制御情報やデータベースによって取得することができる。例えば、上位局装置から、マクロ基地局を介してＧＭ基地局の地理的位置に関する情報を受信しても良い。また、移動体の移動経路に基づいて、移動体が所定の時刻に存在する地理的位置を予めデータベース化した情報をＧＭ移動局が保持し、現在の時刻やＧＭ移動局の地理的位置に基づいてＧＭ基地局の位置情報を推定しても良い。なお、各基地局やＧＭ移動局の地理的位置に関する情報の取得としては、例えばＧＰＳ（Global　Positioning　System、全地球測位システム）、測域センサ（レーザスキャナとも呼ぶ）などを用いることができる。
　ＧＭ移動局のビームフォーミング用のウェイトは、ＧＭ基地局の地理的位置及び移動体（若しくはＧＭ移動局）の地理的位置に関する情報をＧＭ基地局が取得し、当該情報に基づいて、事前に決定された固定ウェイトから適切なものを選択してビーム形成されることが好ましい。なお、固定ウェイトは、移動体から見てＧＭ基地局が存在する可能性がある方向に対してビーム形成ができるウェイトが選択可能であれば良い。例えば、ＧＭ基地局が移動体の進行方向に対して右方向にのみ配置される構成となっている場合には、固定ウェイトは右方向のビームが形成可能なよう設定されていれば良い。
　ＧＭ移動局のビーム形成のウェイトは、上記の固定ウェイトを一定時間間隔で切り替えることにより選択しても良い。例えば、移動体が所定の規則に正常に従って移動している場合（時刻表通りに電車が運行している場合など）には、所定の時刻における移動体から見たＧＭ基地局の地理的位置は特定可能であるため、一定時間間隔での切り替えが好適である。また、この場合には、所定の時刻におけるＧＭ基地局及びＧＭ移動局の相対的な位置関係は、センサなどで測定するまでもなく既知であるため、ＧＭ基地局及びＧＭ移動局の地理的位置に関する情報は、一方或いは両方がなくてもビーム形成を適切に行うことが可能である。なお、上述した両方の地理的位置に関する情報を必要としない場合であっても、時刻に関連して、間接的にではあるが地理的位置に基づいてビーム形成をしていることは明確である。
　図６に示すように、線路に移動体１１０（電車）が左側から移動してきた場合を例に説明する。この際、ＧＭ移動局１２０はＧＭ基地局１３０の位置を把握し、ウェイトＷ２’によりビームを形成する。その後、図６中の移動経路の中央付近に移動体１１０が位置する場合にはウェイトＷ１’を利用し、さらに右に移動した場合にはＷＭ’を使用する。このように、適宜ウェイトを変更しつつＧＭ基地局１３０との通信を実施する。ここで、ＭはＧＭ移動局１２０に規定されている固定ウェイトの個数である。
　また、ウェイト形成については、ＧＭ基地局の場合と同様に、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などに応じて、適応的ウェイトにより構成しても良い。また、ＧＭ移動局において、ＧＭ基地局からの無線信号をチャネル推定した結果に基づいて、適応的ウェイトを利用する構成としても良い。
　また、固定ウェイト及び適応的ウェイトを組み合わせて利用しても良い。例えば、固定ウェイトにより初期接続を行い、その後のウェイトは適応的ウェイトを算出して利用するという２段階のビームフォーミングを用いても良い。
（ＧＭ移動局及びＧＭ基地局の構成）
　以下、本実施の形態に係るＧＭ移動局及びＧＭ基地局の構成について図７－９を参照して説明する。
　図７は、本実施の形態に係るＧＭ移動局の全体構成図である。図７に示されるように、本実施の形態に係るＧＭ移動局１２０は、ＧＭ移動局制御部１２１と、ＧＭセル用通信部１２２と、既存システム用通信部１２３と、移動体内用通信部１２４と、を具備する。
　ＧＭ移動局制御部１２１は、ユーザ端末と各基地局との通信を中継すると共に、ＧＭ移動局全体の制御を行う。特に、端末の接続形態の決定を実施する。また、送受信データをバッファする機能を有しても良い。また、ＧＭセル用通信部１２２に対してビームフォーミングのパラメータを指示する機能を有しても良い。
　また、ＧＭ移動局制御部１２１は、ユーザ端末の接続形態を決定することができる。具体的には、ユーザ端末の接続形態の選択は、ＧＭセル用通信部１２２又は既存システム用通信部１２３から制御情報を受信した場合に実施しても良いし、ＧＭ移動局の設定に基づいて実施しても良いし、移動体内用通信部１２４を介してユーザ端末から接続要求を受けた場合に実施しても良い。
　また、ＧＭ移動局制御部１２１は、ＧＭ基地局の位置を取得する機能を有することが好ましい。例えば、既存システム用通信部１２３を介して、上位局装置からＧＭ基地局の位置に関する情報を受信することができる。また、ＧＭ移動局１２０の搭載される移動体の移動経路周辺に置局されているＧＭ基地局の位置に関する情報を、事前に保持していても良い。また、ＧＭ移動局制御部１２１は、自局の位置、つまり移動体の位置を取得する機能を有することが好ましい。
　図８は、本実施の形態に係るＧＭセル用通信部又は既存システム用通信部の基本構成図である。ＧＭセル用通信部１２２及び既存システム用通信部１２３は、ハードウェアの主要部構成は同じであるので、以下でこれらを区別しないときは、まとめて移動体外用通信部２００と呼ぶ。
　移動体外用通信部２００は、送受信アンテナ２０１（アンテナポート）と、アンプ部２０２と、送受信部２０３と、ベースバンド信号処理部２０４と、を備えている。なお、送受信アンテナ２０１はＭＩＭＯ伝送のために複数アンテナから構成されるが、１つのアンテナから構成されても良い。
　下り信号については、複数の送受信アンテナ２０１で受信された無線周波数信号がそれぞれアンプ部２０２で増幅され、送受信部２０３で周波数変換され、ベースバンド信号処理部２０４に入力される。ベースバンド信号処理部２０４では、ＦＦＴ（Fast　Fourier　Transform、高速フーリエ変換）処理や、誤り訂正復号、再送制御の受信処理などがなされる。この下り信号に含まれるユーザデータは、ＧＭ移動局制御部１２１に転送される。また、下り信号の内、報知情報もＧＭ移動局制御部１２１に転送される。
　一方、上りリンクのユーザデータについては、ＧＭ移動局制御部１２１からベースバンド信号処理部２０４に入力される。ベースバンド信号処理部２０４では、ＭＡＣ（Medium　Access　Control）再送制御（例えば、ＨＡＲＱ（Ｈｙｂｒｉｄ　ＡＲＱ）の送信処理）や、チャネル符号化、プリコーディング、ＤＦＴ（Discrete　Fourier　Transform、離散フーリエ変換）処理、ＩＦＦＴ（Inverse　Fast　Fourier　Transform、逆高速フーリエ変換）処理などが行われて各送受信部２０３に転送される。送受信部２０３は、ベースバンド信号処理部２０４から出力されたベースバンド信号を無線周波数帯に変換する。その後、アンプ部２０２は、周波数変換された無線周波数信号を増幅して送受信アンテナ２０１により送信する。
　また、ベースバンド信号処理部２０４は、プリコーディングの際に送信ビームをビームフォーミングするためのウェイトを決定するＢＦウェイト決定部を有する。ＢＦウェイト決定部は、ビームがＧＭ基地局の方向に向けてビームフォーミングされるようにウェイトを決定する。ウェイトは、ＧＭ基地局及び／又はＧＭ移動局の地理的位置に基づいて、事前に規定された固定ウェイトを一定時間間隔で切り替えて選択しても良いし、環境に応じて適応的に制御される適応的ウェイトを算出して使用する構成としても良い。また、ＧＭ移動局において、ＧＭ基地局からの無線信号をチャネル推定した結果に基づいて、適応的ウェイトを利用する構成としても良い。
　ここで、適応的ウェイトは、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、ＧＭ移動局が搭載される移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などに応じて、制御することができる。また、固定ウェイト及び適応的ウェイトを組み合わせて利用しても良いし、環境によって使い分けても良い。また、チャネル状態を示すＣＳＩ（Channel　State　Information）などのＧＭ基地局からのフィードバック情報や、アンテナ素子の重み付けに用いられるＡＯＡ（Angle　of　Arrival）やＡＯＤ（Angle　of　Departure）などに基づいて、ビームフォーミングを行っても良い。
　なお、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などの情報を取得するために、カメラ、レーダ、赤外線などのセンサを具備しても良い。また、当該情報を、送受信アンテナ２０１を介してＧＭ基地局及び／又は既存システムの基地局に送信して、これらの基地局及び上位局装置で利用する構成としても良い。
　また、送受信アンテナ２０１は、ビームフォーミングを形成するために、多数のアンテナ素子から構成されている。なお、既存システム用通信部１２３も、ＢＦウェイト決定部を有していても良く、送受信アンテナ２０１が多数のアンテナ素子から構成されても良い。
　なお、上述した移動体外用通信部２００は、ＤＦリレーを利用する場合の構成である。ＡＦリレーを利用する場合には、移動体外用通信部２００は、送受信アンテナ２０１及びアンプ部２０２の処理を行えば良い。
　移動体内用通信部１２４は、ＧＭ移動局と移動体内部のユーザ端末との通信を実施する。本実施の形態では、移動体内用通信部１２４は、ＩＥＥＥ８０２．１１関連の規格に従う無線ＬＡＮによってユーザ端末と通信する。しかしながら、通信方式はこれに限られない。また、移動体内用通信部１２４は、有線通信用の通信部及びコネクタを有していても良く、ユーザ端末は所定のケーブルを用いてコネクタに接続することにより、移動体内用通信部１２４と有線通信を実施する構成としても良い。
　本実施の形態に係るＧＭ基地局１３０は、ＧＭ基地局制御部及びＧＭ基地局通信部（通信部）３００を具備する。
　ＧＭ基地局制御部は、ＧＭ移動局を介したユーザ端末との通信及びＧＭ基地局全体の制御を行う。また、ＧＭ基地局制御部は、ＧＭ基地局通信部３００に対してビームフォーミングのパラメータを指示する機能を有しても良い。また、ＧＭ基地局制御部は、ユーザ端末の接続形態を決定することができる。具体的には、ユーザ端末の接続形態の選択は、上位局装置から制御情報を受信した場合に実施しても良いし、ＧＭ移動局からＧＭ移動局の設定を受信して実施しても良いし、ＧＭ移動局を介してユーザ端末から接続要求を受けた場合に実施しても良い。
　また、ＧＭ基地局制御部は、ＧＭ移動局の位置を取得する機能を有することが好ましい。例えば、ＧＭ基地局がカメラ、レーダ、赤外線などのセンサを具備し、それらによりＧＭ移動局の地理的位置に関する情報を取得しても良い。
　図９は、本実施の形態に係るＧＭ基地局通信部の基本構成図である。本実施の形態に係るＧＭ基地局通信部３００は、ＭＩＭＯ伝送のための複数の送受信アンテナ３０１と、アンプ部３０２と、送受信部３０３と、ベースバンド信号処理部３０４と、呼処理部３０５と、を備えている。なお、複数の送受信アンテナ３０１は、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ用のアンテナ素子で構成されてもよい。
　下りリンクによりＧＭ基地局１３０からＧＭ移動局１２０を介してユーザ端末１６０に送信されるユーザデータは、上位局装置から伝送路インタフェースを介してＧＭ基地局制御部に入力された後、ベースバンド信号処理部３０４に入力される。
　ベースバンド信号処理部３０４では、ＰＤＣＰレイヤの処理、ユーザデータの分割・結合、ＲＬＣ（Radio　Link　Control）再送制御の送信処理などのＲＬＣレイヤの送信処理、ＭＡＣ再送制御、スケジューリング、伝送フォーマット選択、チャネル符号化、ＩＦＦＴ処理、プリコーディング処理が行われて各送受信部３０３に転送される。また、下り制御信号に関しても、チャネル符号化や逆高速フーリエ変換などの送信処理が行われて、各送受信部３０３に転送される。
　各送受信部３０３は、ベースバンド信号処理部３０４からアンテナ毎にプリコーディングして出力された下り信号を無線周波数帯に変換する。アンプ部３０２は、周波数変換された無線周波数信号を増幅して送受信アンテナ３０１により送信する。
　一方、上り信号については、各送受信アンテナ３０１で受信された無線周波数信号がそれぞれアンプ部３０２で増幅され、各送受信部３０３で周波数変換されてベースバンド信号に変換され、ベースバンド信号処理部３０４に入力される。
　ベースバンド信号処理部３０４では、入力された上り信号に含まれるユーザデータに対して、ＦＦＴ処理、ＩＤＦＴ処理、誤り訂正復号、ＭＡＣ再送制御の受信処理、ＲＬＣレイヤ、ＰＤＣＰレイヤの受信処理がなされ、ＧＭ基地局制御部に出力された後、伝送路インタフェースを介して上位局装置に転送される。呼処理部３０５は、通信チャネルの設定や解放などの呼処理や、基地局の状態管理や、無線リソースの管理を行う。
　また、ベースバンド信号処理部３０４は、プリコーディングの際に送信ビームをビームフォーミングするためのウェイトを決定するＢＦウェイト決定部も有する。ＢＦウェイト決定部は、ビームがＧＭ移動局の方向に向けてビームフォーミングされるようにウェイトを決定する。ウェイトは、ＧＭ移動局（つまり、移動体）の移動経路に基づいて、事前に規定された固定ウェイトを一定時間間隔で切り替えて選択しても良いし、環境に応じて適応的に制御される適応的ウェイトを算出して使用する構成としても良い。また、送受信アンテナ３０１は、ビームフォーミングを形成するために、多数のアンテナ素子から構成されている。
　また、ウェイト形成については、ＧＭ移動局の場合と同様に、ＧＭ移動局が中継するトラフィック量、ＧＭ移動局が中継するトラフィック構成、移動体の種類、移動体の車両構成、移動体の移動速度、移動体の移動方向などに応じて、適応的ウェイトにより構成しても良い。また、固定ウェイト及び適応的ウェイトを組み合わせて利用しても良い。また、ＣＳＩなどのＧＭ移動局からのフィードバック情報や、ＡＯＡやＡＯＤなどに基づいて、ビームフォーミングを行っても良い。
　以上のように、本実施の形態に係る無線通信システムによれば、グループモビリティに対して、移動体内のユーザ端末に係る通信を専用システムによりオフロードすることで、既存の無線通信システムへの負荷を軽減できる。この構成によれば、ユーザ端末に変更を加えることなく、無線通信システム全体のシステムパフォーマンスを向上することが可能となる。
　以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。
　本出願は、２０１３年１０月９日出願の特願２０１３－２１２３０３に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (10)

  1. 　移動体内に存在する複数のユーザ端末における移動通信用の無線通信システムであって、
    　前記移動体の移動経路上にセルを形成する無線基地局と、
    　前記移動体に設置され、前記複数のユーザ端末と前記無線基地局との通信を中継する無線移動局と、を有することを特徴とする無線通信システム。
  2. 　前記移動体の移動経路上に前記無線基地局が形成するセルと比較して、周波数、通信方式及びカバレッジエリアの少なくとも１つが異なるセルを形成する第２の無線基地局を有し、
    　前記無線移動局は、前記複数のユーザ端末と、前記無線基地局及び前記第２の無線基地局との通信を中継することを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
  3. 　前記無線基地局及び前記無線移動局の少なくとも一方が、ビームフォーミングにより形成したビームを用いて通信を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の無線通信システム。
  4. 　前記無線移動局が、前記無線基地局及び／又は前記無線移動局の地理的位置に基づいて、選択候補となる複数のウェイトから選択したウェイトを用いてビームを形成することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
  5. 　前記無線基地局が、前記移動体の移動経路に基づいて、選択候補となる複数のウェイトから選択したウェイトを用いてビームを形成することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
  6. 　前記無線基地局及び前記無線移動局の少なくとも一方が、前記無線移動局が中継するトラフィック量、前記無線移動局が中継するトラフィック構成、前記移動体の種類、前記移動体の車両構成、前記移動体の移動速度及び前記移動体の移動方向のうち少なくとも１つに基づいて、適応的に制御したウェイトを用いてビームを形成することを特徴とする請求項３に記載の無線通信システム。
  7. 　移動体内に存在する複数のユーザ端末と無線基地局間の通信を中継する無線移動局であって、
    　前記複数のユーザ端末と通信を行う移動体内用通信部と、
    　前記複数のユーザ端末と前記移動体の移動経路上にセルを形成する無線基地局との通信を制御する制御部と、
    　前記無線基地局と通信を行う移動体外用通信部と、を有し、前記移動体に設置されることを特徴とする無線移動局。
  8. 　前記移動体外用通信部は、前記無線基地局及び／又は前記移動体の地理的位置に基づいて、選択候補となる複数のウェイトから選択したウェイトを用いてビームを形成して前記無線基地局と通信を行うことを特徴とする請求項７に記載の無線移動局。
  9. 　移動体内に存在する複数のユーザ端末における移動通信用の無線通信システムにおける無線基地局であって、
    　前記移動体の移動経路上にセルを形成し、前記移動体内に設置された無線移動局を介して前記複数のユーザ端末と通信を行う通信部を有することを特徴とする無線基地局。
  10. 　前記無線基地局は、前記移動体の移動経路に基づいて、選択候補となる複数のウェイトから選択したウェイトを用いてビームを形成して前記無線移動局と通信を行うことを特徴とする請求項９に記載の無線基地局。
     
     
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