WO2020084672A1 - 無線中継装置および無線通信システム - Google Patents

Abstract

無線中継装置（２０）は、基地局との通信のための複数の第１のビームを形成可能な第１のアンテナ部（２１－１～２１－Ｎ＋２２－１～２２－Ｎ）と、端末装置との通信のための複数の第２のビームを形成可能な第２のアンテナ部（２５－１～２５－Ｎ＋２７－１～２７－Ｎ）と、を備え、複数の第１のビームと複数の第２のビームとはそれぞれ紐付けられ、紐付けられた第１のビームと第２のビームとを用いて基地局と端末装置との通信を中継する。

Description

無線中継装置および無線通信システム

　本発明は、複数のアンテナ素子を有する無線中継装置および該無線中継装置を備える無線通信システムに関する。

　近年、セルラーシステムの普及が進んでいる。ユーザからは、場所および時間を問わず常時通信サービスを利用したいとのニーズが強く、通信サービスのカバレッジの確保は重要な要素である。しかしながら、セルラーシステムは、電波を用いた通信装置で構成されている。このため、屋内、地下空間、高架下、都市内部、ビルの谷間などにおいて電波の届かない不感知エリアが生じてしまい、カバレッジの確保ができない場合がある。これらの不感知エリアを解消するため、セルラーシステムを構成する通信装置に加えて、従来から無線中継装置を用いたカバレッジの確保が行われている。無線中継装置が、屋外と屋内との間の通信を中継することで、カバレッジを確保することができる。また、無線中継装置が、基地局が通信可能な範囲と、ビルの陰となり基地局が通信できない範囲との間を中継することでカバレッジを確保することができる。

　また、第５世代移動通信システム（５Ｇ：5th　Generation）ではＭＵ－ＭＩＭＯ（Multi　User-MIMO）を実現するために基地局および端末装置に多数のアンテナ素子を実装する大規模ＭＩＭＯ（Multiple-Input　and　Multiple-Output）システムを用いることが想定されている。ＭＵ－ＭＩＭＯは、狭ビームを用いて複数の端末装置へ同一チャネルおよび同一時刻に空間多重伝送を行う伝送方式である。大規模ＭＩＭＯシステムは、１０ＧＨｚを超える高周波数帯の電波を用いることが想定される。高周波数帯の電波を用いるときには伝搬減衰が問題となる。この問題を緩和するために大規模ＭＩＭＯシステムでは高利得ビームが活用される。すなわち、５Ｇにおいては、高利得な狭ビームによるＭＵ－ＭＩＭＯが一般的に運用されることが予想されている。

　高周波数帯の電波は、電波の回折および電波の回り込みが小さく、屋外から屋内への侵入損失が大きい。このため、６ＧＨｚ未満の低周波数帯の電波を用いる従来のセルラーシステムのように、屋外のマクロ基地局によって屋内またはビル陰に位置する複数の端末装置のカバレッジを確保することは、５Ｇでは難しくなる。この問題に対して、屋内またはビル陰に小型基地局を設置することが考えられるが、セルのカバレッジの狭さを考慮すると、必要とする小型基地局の数が多くなる問題がある。セルとは、小型基地局の通信範囲である。また、近接エリアで多数の基地局を運用すると局間の干渉も問題となるため、コスト的にも技術的にも実現が難しくなる可能性がある。

　また、５Ｇにおいても従来と同様に、カバレッジを確保するために無線中継装置を活用することが考えられる。この際、無線中継装置は、５Ｇで想定されるＭＵ－ＭＩＭＯを用いるために、狭ビーム通信および高次空間多重に対応することが必要となる。

　特許文献１は、基地局と、基地局と直接通信が困難な端末装置との伝送環境を改善する無線中継装置を開示する。特許文献１に記載の無線中継装置は、基地局と通信するためのドナーアンテナと、端末装置と通信するためのカバレッジアンテナとを備える。特許文献１に記載の無線中継装置が備えるドナーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、指向性を有す。一般的にドナーアンテナは、設置時に基地局方向にメインローブを向けることで、指向性を有さないアンテナに比べて受信品質を改善することができる。さらに、特許文献１に記載の無線中継装置は、近傍に新たなビルが建設されるなど周辺の電波伝搬環境に変化があった場合には、基地局からの電波が新たなビルによって反射する反射波方向、または別基地局の方向にビーム方向を変更することにより、適応的に伝送環境を改善する。特許文献１に記載の無線中継装置が備えるカバレッジアンテナは、無指向性アンテナである。下りリンクの通信では、ドナーアンテナの指向性ビームで基地局から受信した信号は、カバレッジアンテナにより端末装置に再放射される。また、上りリンクの通信では、カバレッジアンテナで端末装置から受信した信号は、ドナーアンテナにより基地局に再放射される。

特開２０１１－２２８８２０号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の無線中継装置のドナーアンテナは、ビームを形成可能な指向性アンテナであるが、特許文献１に記載の無線中継装置のカバレッジアンテナは無指向性アンテナである。このため、アンテナ間の相関が高くなり、カバレッジアンテナで端末装置と信号の送受信をするとき、伝搬路が１点に縮退するピンホール効果が生じてしまう。アンテナ間の相関が高いとは、異なるアンテナに対応する伝搬路の電波伝搬の性質が互いに類似しているということである。ピンホール効果が生じるため、ＭＩＭＯ通信におけるレイヤ間の分離が困難となり、伝送容量が低下するという問題があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＭＩＭＯ通信において伝送容量の低下を抑制する無線中継装置を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる無線中継装置は、基地局との通信のための複数の第１のビームを形成可能な第１のアンテナ部と、端末装置との通信のための複数の第２のビームを形成可能な第２のアンテナ部と、を備え、複数の第１のビームと複数の第２のビームとはそれぞれ紐付けられ、紐付けられた第１のビームと第２のビームとを用いて基地局と端末装置との通信を中継することを特徴とする。

　本発明にかかる無線中継装置は、ＭＩＭＯ通信において伝送容量の低下を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる無線通信システムの構成を示す図 実施の形態１にかかる無線中継装置の機能ブロックを示す図 実施の形態１にかかる制御回路を示す図 実施の形態１にかかる無線通信システムの動作を示すフローチャート 実施の形態２にかかる無線中継装置の機能ブロックを示す図 実施の形態３にかかる５Ｇのフレームフォーマットの一例を示す図 実施の形態３にかかる基地局がＳＳ　Ｂｌｏｃｋを送信する動作を示す図 実施の形態３にかかる無線中継装置のビームの指向性形成の手順を示す図

　以下に、本発明の実施の形態にかかる無線中継装置および無線通信システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる無線通信システムの構成を示す図である。無線通信システム１は、基地局１０と、無線中継装置２０と、複数の端末装置３０とを備える。基地局１０は、複数のビームを形成して無線中継装置２０とＭＩＭＯ伝送方式を用いて通信する。無線中継装置２０は、基地局１０からの複数ビームのそれぞれに対応した複数の受信ビームを形成する。また、無線中継装置２０は、端末装置３０に対して複数の送信ビームを形成し、受信ビームごとに基地局１０から受信した信号を混ぜることなく、端末装置３０向けの送信ビームを用いて端末装置３０に信号を送信する。このため、無線中継装置２０が受信ビームごとに基地局１０から受信した信号と、送信ビームごとに端末装置３０へ送信する信号とをそれぞれ対応づけ、この対応づけに従って基地局１０と端末装置３０との中継を行うことにより、基地局１０と無線中継装置２０と端末装置３０との間でアイソレーションの高い伝搬路を構築することができる。

　図２は、実施の形態１にかかる無線中継装置２０の機能ブロックを示す図である。無線中継装置２０は、基地局１０、無線中継装置２０、端末装置３０の順でデータが転送される下りリンクの中継と、端末装置３０、無線中継装置２０、基地局１０の順でデータが転送される上りリンクの中継の両方を行う。下りリンクとは、基地局１０から端末装置３０向けの下り方向の通信である。上りリンクとは、端末装置３０から基地局１０向けの上り方向の通信である。図２は、無線中継装置２０が下りリンクの中継を行う場合の機能ブロックを示す図である。図２が示す機能ブロック図は、基地局１０に形成するビームの数がＮ、端末装置３０に形成するビームの数がＮとする場合の例である。つまり、図２が示す機能ブロック図は、基地局１０に形成するビーム数と、端末装置３０の形成するビーム数とが同じ場合の例である。Ｎは２以上の整数である。

　無線中継装置２０は、基地局側アンテナ素子部２１－１～２１－Ｎと、基地局側ビーム形成部２２－１～２２－Ｎと、基地局側ビーム制御部２３と、端末装置側ビーム制御部２４と、端末装置側ビーム形成部２５－１～２５－Ｎと、加算部２６－１～２６－Ｎと、端末装置側アンテナ素子部２７－１～２７－Ｎと、を備える。基地局側アンテナ素子部２１－１～２１－Ｎのそれぞれを区別せずに示すときは、適宜、基地局側アンテナ素子部２１と称する。基地局側ビーム形成部２２－１～２２－Ｎのそれぞれを区別せずに示すときは、適宜、基地局側ビーム形成部２２と称する。端末装置側ビーム形成部２５－１～２５－Ｎのそれぞれを区別せずに示すときは、適宜、端末装置側ビーム形成部２５と称する。加算部２６－１～２６－Ｎのそれぞれを区別せずに示すときは、適宜、加算部２６と称する。端末装置側アンテナ素子部２７－１～２７－Ｎのそれぞれを区別せずに示すときは、適宜、端末装置側アンテナ素子部２７と称する。基地局側アンテナ素子部２１－１～２１－Ｎと基地局側ビーム形成部２２－１～２２－Ｎとを合わせた機能部は、第１のアンテナ部とも呼ばれる。端末装置側ビーム形成部２５－１～２５－Ｎと端末装置側アンテナ素子部２７－１～２７－Ｎとを合わせた機能部は、第２のアンテナ部とも呼ばれる。基地局側ビーム制御部２３は、第１のビーム制御部とも呼ばれる。端末装置側ビーム制御部２４は、第２のビーム制御部とも呼ばれる。

　基地局側アンテナ素子部２１は、基地局１０が送信する信号を受信する。基地局側アンテナ素子部２１は、単にアンテナ素子とも呼ばれる。基地局側ビーム形成部２２は、基地局側ビーム制御部２３の指示に従って、基地局側アンテナ素子部２１が受信するアナログ信号の電波の振幅および電波の位相に重みづけを行うことにより、電波の振幅および電波の位相を調整する。これにより、基地局側アンテナ素子部２１は、基地局１０へビームを形成することができる。第１のアンテナ部は、基地局１０との通信のための複数の受信ビームを形成可能である。第１のアンテナ部が形成する基地局１０との通信のためのビームは第１のビームとも呼ばれる。また、基地局側ビーム形成部２２は、ビームの方向ごとに異なる複数の基地局側アンテナ素子部２１を用いることで、同時に異なる方向へ複数のビームを形成することができる。基地局側ビーム制御部２３は、基地局側アンテナ素子部２１のそれぞれに対応する重みを制御する。例えば、基地局側ビーム制御部２３は、各レイヤのビームのアンテナ素子重みを制御する。レイヤとは、ＭＩＭＯ伝送において同時に伝送する信号ストリームである。ＭＩＭＯ伝送では、レイヤごとにビームが割り当てられ、信号ストリームが基地局１０と無線中継装置２０との間、および無線中継装置２０と端末装置３０との間で伝送される。アンテナ素子重みは、信号の電波の振幅および電波の位相の重みであり、基地局１０と端末装置３０との間の伝搬路の状態を解析し、プリコーディングベクトルを決定することによって算出される。基地局側ビーム制御部２３は、複数の第１のビームの重み付けをそれぞれ制御する。

　端末装置側ビーム制御部２４は、複数のビームの重み付けをそれぞれ制御する。例えば、端末装置側ビーム制御部２４は、第２のアンテナ部が形成する各レイヤのアンテナ素子重みを制御する。第２のアンテナ部は、端末装置３０との通信のための複数の送信ビームを形成可能である。第２のアンテナ部が形成する、端末装置３０との通信のためのビームは第２のビームとも呼ばれる。端末装置側ビームの形成手法は基地局側ビームと同じく多くの手法が考えられる。例として、端末装置３０からのアップリンク信号を検知し、端末装置３０ごとに到来方向を推定してビーム形成を行うことができる。もしくは、各端末装置３０からのアップリンク信号を検知してアンテナごとに伝送路推定を行い、この信号の受信電力が最大となるようにアンテナ素子重みを決定しても良い。加算部２６は、入力する信号を加算する。また、端末装置側アンテナ素子部２７は、端末装置３０へ信号を送信する。

　基地局側ビーム制御部２３、端末装置側ビーム制御部２４、および加算部２６は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

　本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central　Processing　Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。図３は、実施の形態１にかかる制御回路を示す図である。本処理回路がＣＰＵを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図３に示す構成の制御回路４００となる。

　図３に示すように、制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４００ａと、メモリ４００ｂとを備える。図３に示す制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４００ａがメモリ４００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ４００ｂは、プロセッサ４００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

　無線通信システム１の動作を説明する。図４は、実施の形態１にかかる無線通信システム１の動作を示すフローチャートである。無線中継装置２０は、基地局１０と無線中継装置２０との間の伝搬路を解析する。無線中継装置２０の伝搬路の解析方法を具体的に説明する。無線中継装置２０が、基地局１０からビームごとに伝送されるＡ個の異なる既知信号を、Ｂ本の受信アンテナで受信する場合、既知信号の情報を解析するとＡ×Ｂの伝送路行列が得られる。この伝送路行列に対して固有値解析などを行うことで、電波の到来方向を強い順に求めることができる。この電波の到来方向を強い順に求めることが伝搬路の解析方法として挙げられる。また、無線中継装置２０は、基地局１０からの直接波が照射される方向、または電力の大きな反射波の方向へビームを形成する。無線中継装置２０は、基地局側アンテナ素子部２１で受信する基地局１０からのダウンリンク信号を解析する（ステップＳ０１）。また、基地局側ビーム制御部２３は、各レイヤのアンテナ素子重みを算出する（ステップＳ０２）。

　基地局側ビーム制御部２３で算出されたアンテナ素子重みの情報は、基地局側ビーム形成部２２に送られる。また、第１のアンテナ部は、各レイヤの基地局１０向けのビームを形成する（ステップＳ０３）。端末装置側ビーム制御部２４は、端末装置側アンテナ素子部２７ごとの重みを計算する。重みの情報は、端末装置側ビーム形成部２５に送られ、第２のアンテナ部が、重み情報を用いて各レイヤの端末装置３０向けのビームを形成する（ステップＳ０４）。端末装置３０向けのビームを形成する際の重み決定方法としては、各端末装置３０が存在する方向を向ける場合、ビームごとにあらかじめ定められた方向に向ける場合、壁などの反射物を利用し、各端末装置３０が大きな受信電力が得られる方向に向ける場合、などに応じて重みを決定する方法が考えられる。基地局側ビーム形成部２２の出力は、レイヤごとに端末装置側ビーム形成部２５に接続される。基地局側ビーム制御部２３は、複数の第１のビームと複数の第２のビームとをそれぞれレイヤごとに紐付ける。紐付けの動作は、例えば、基地局側ビーム制御部２３が、基地局１０側のビームの重み情報と、このビームに紐付けられる、端末装置３０側のビームの重み情報と、を対応付けて格納するテーブルを保持する動作である。無線中継装置２０は、紐付けられた第１のビームと第２のビームとを用いて基地局１０と端末装置３０との通信を中継する。

　なお、本実施の形態では、無線中継装置２０がアナログ領域においてビームを形成する例を説明したが、デジタル領域でビームの形成を実現しても良い。すなわち、無線中継装置２０は、ＡＤ（Analog　Digital）変換器、およびＤＡ（Digital　Analog）変換器を備え、受信時には各アンテナの信号をデジタル信号に変換し、送信時には変換したデジタル信号をアナログ信号に変換する。また、基地局側ビーム形成部２２、および端末装置側ビーム形成部２５をデジタル信号処理により実現する。また、基地局側ビーム制御部２３および端末装置側ビーム制御部２４は、デジタル信号処理に高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast　Fourier　Transform）または逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：Inverse　Fast　Fourier　Transform）を含めても良い。また、無線中継装置２０は、第１のビームおよび第２のビームを、デジタル信号を用いて指向方向の制御を行っても良い。また、無線中継装置２０は、基地局１０または端末装置３０へのビーム形成およびビームの紐付けをサブバンド単位で行っても良い。換言すると、無線中継装置２０は、プリコーディングウエイトの算出をサブバンド単位で行っても良い。伝搬路を解析することによって得られる伝送路行列は、アンテナ単位で得られるが、周波数選択性を有するためサブバンド単位で値が異なる。このため、サブバンド単位で、伝送路行列の取得および固有値の解析を行うことで、より詳細にプリコーディングウエイトの算出をすることができる。サブバンドとは、特定の帯域を複数の周波数帯域に分割したものである。なお、５Ｇでは、特定の帯域は、３．６～６ＧＨｚ帯などである。

　また、本実施の形態では、下りリンクの動作を説明したが、上りリンクについても同様の動作で実現される。この際、基地局１０のアンテナ素子重みと、端末装置３０のアンテナ素子重みとは、それぞれ下りリンク、上りリンクで同じ値が用いられる。上りリンクと下りリンクとが同一周波数を用いるＴＤＤ（Time　Division　Duplex）方式を用いて無線中継装置２０が基地局１０と端末装置３０との通信を中継する場合、無線中継装置２０は、上りリンクと下りリンクとの切り替えタイミングを把握し、送受信を切り替える。ＦＤＤ（Frequency　Division　Duplex）方式を用いて、無線中継装置２０が基地局１０と端末装置３０との通信を中継する場合、無線中継装置２０の送受信の切り替えは不要であり、送信、受信それぞれで同一の指向性が用いられる。

　以上説明したように、本実施の形態の無線中継装置２０は、複数の基地局側アンテナ素子部２１と、複数の基地局側ビーム形成部２２と、基地局側ビーム制御部２３と、端末装置側ビーム制御部２４と、複数の端末装置側ビーム形成部２５と、複数の加算部２６と、複数の端末装置側アンテナ素子部２７とを備える。このことで、無線中継装置２０は基地局１０、端末装置３０それぞれに狭ビームを形成することができる。また、レイヤごとに基地局１０のビームと端末装置３０のビームとを紐付けることができる。このため、無線中継装置２０は、レイヤ間の信号は狭ビームによりアイソレーションを維持したまま中継することが可能となる。また、無線中継装置２０は、伝搬路が１点に縮退することを抑制できる。このため、アンテナ間の相関が高くなり、伝搬路の推定が容易となり伝送容量の低下を抑制することができる。

実施の形態２．
　図５は、実施の形態２にかかる無線中継装置の機能ブロックを示す図である。なお、本実施の形態において実施の形態１と同一の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。本実施の形態における無線中継装置２０ａは、基地局側ビーム形成部２２の出力と端末装置側ビーム形成部２５との間に選択部２８を備える。選択部２８は、基地局１０向けのビームと端末装置３０向けのビームとの組み合わせを選択し、管理する。また、無線中継装置２０ａは、端末装置側ビーム形成部２５、加算部２６、端末装置側アンテナ素子部２７をそれぞれＭ個備える。

　無線中継装置２０ａが形成する基地局１０向けのビームと、端末装置３０向けのビームとの組み合わせの決定方法について説明する。本実施の形態では、下りリンクにおける基地局側ビームｉの基地局側ビーム形成部２２の出力信号をａ^ｉ（ｔ）とする。レイヤｊの端末装置側ビーム形成部２５の入力信号をｂ^ｊ（ｔ）とする。また、基地局１０向けのビーム数をＮとする。端末装置３０向けのビーム数をＭとする。Ｍは２以上の整数である。ｉはＮ以下の整数である。ｊはＭ以下の整数である。

　Ｎ＝Ｍの場合、選択部２８は、下りリンクにおいてｂ^ｊ（ｔ）とａ^ｉ（ｔ）とを接続（紐付け）する（ｉ，ｊ）の組み合わせを決定し、管理する。なお、上りリンクにおいても同一の組み合わせが用いられる。例えば、Ｎ＝Ｍ＝３の場合、選択部２８は、（ｉ，ｊ）の組み合わせを、（１，１）、（２，２）、（３，３）と決定し管理する。

　Ｎ＜Ｍの場合、選択部２８は、Ｎ＝Ｍとなるように、基地局側ビームｉの信号ａ^ｉ（ｔ）を複製し、ａ^ｉ（ｔ）は複数の端末装置側入力ｂ^ｊ１（ｔ）・・・ｂ^ｊＭ（ｔ）のいずれかに接続（紐付け）される。また、選択部２８は（ｉ，ｊ_１，・・・ｊ_Ｍ）の紐付けの組み合わせを決定し、管理する。上りリンクではレイヤｊ_１，・・・ｊ_Ｍの情報を加算して、基地局側ビームｉに入力する。例えば、Ｎ＝３、Ｍ＝４の場合、選択部２８は、基地局１０側レイヤが１の信号ａ^i１（ｔ）を複製し、（ｉ，ｊ）の組み合わせを、（１，１）、（１，２）、（２，３）、（３，４）と決定し管理する。選択部２８は、上りリンクではレイヤｊ_１とｊ_２との情報を加算して、基地局側ビームｉ_１に入力する。

　Ｎ＞Ｍの場合、選択部２８は、Ｎ＝Ｍとなるように、複数の基地局側出力ａ^ｉ１（ｔ）・・・ａ^ｉ２（ｔ）同士を加算して端末装置側入力ｂ^ｊ（ｔ）に接続する。例えば、Ｎ＝４、Ｍ＝３の場合、選択部２８は、基地局１０側レイヤが１の信号ａ^i１（ｔ）とａ^i２（ｔ）とを加算し、（ｉ，ｊ）の紐付けの組み合わせを、（１＋２，１）、（３，２）、（４，３）と決定し管理する。上りリンクではレイヤｊ_１の情報を複製して、基地局側ビームｉ_１、および基地局側ビームｉ_２に入力する。

　無線中継装置２０ａがサブバンドごとにビーム形成を行う場合、前述のビーム間接続の情報（ｉ，ｊ）は全サブバンドで同一の組み合わせで使用されても良いし、各サブバンドで個別に決定、管理されても良い。この場合でも、上りリンクと下りリンクとでは同じビームペアが使用される。

　以上説明したように、本実施の形態の無線中継装置２０ａは、実施の形態１の効果に加えて、基地局１０のビーム数および端末装置３０のビーム数に応じて基地局１０側ビームと端末装置３０側ビームとの組み合わせを決定し、管理することができる。このため、基地局１０のビーム数と端末装置３０のビーム数とが異なる場合でも、無線中継装置２０ａは基地局１０、端末装置３０それぞれでビームを形成し、狭ビームによりアイソレーションを維持したまま中継することができる。このため、伝搬路が１点に縮退することを抑制でき、ピンホール効果が生じることを抑制できる。また、伝送容量の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
　本実施の形態では無線中継装置２０ａの具体的なビーム形成法について開示する。５Ｇでは基地局１０と端末装置３０との間で送受信ビームを形成するために、複数種類の参照信号が規定されている。狭ビームを用いたビームフォーミングシステムでは、何らかの方法で基地局１０と端末装置３０とがビームの方向を合わせる必要がある。しかし、送受信ともに狭ビームを用いて方向を合わせることは容易ではない。このため、５Ｇでは広いビームで大体の方向を合わせた上で、狭ビームで細かな方向を合わせる、複数段階のビーム制御が可能な構成を取っている。なお、以降のビームの組み合わせの制御、ビームの指向方向の制御などは選択部２８が行うこととするが、選択部２８が行うことに限定されない。

　本実施の形態では、基地局１０の広いビームを活用した無線中継装置２０ａのビームの指向性の制御の例を開示する。図６は、実施の形態３にかかる５Ｇのフレームフォーマットの一例を示す図である。図６において横軸は時間を示す。基地局１０は、同期信号（ＰＳＳ:Primary　Synchronization　Signal，ＳＳＳ：Secondary　Synchronization　Signal）、または報知情報（ＰＢＣＨ：Physical　Broadcast　Channel）といった初期同期に必要な情報を周期的に送信している。これらの信号が含まれる領域はＳＳ（Synchronization　Signal）　Ｂｌｏｃｋと呼ばれる。

　また、図６に示すように複数のＳＳ　ＢｌｏｃｋがＳＳ（Synchronization　Signal）　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔと呼ばれる単位で配置される。基地局１０は、１つのＳＳ　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔ内で、基地局１０のサービスエリア全域への配信が完了する。この配信は定期的に行われるが、定期的に配信する周期は可変でありＳＳ　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔ　ｐｅｒｉｏｄと呼ばれる基地局１０ごとの定数によって定期的に配信する周期は変更される。ＳＳ　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔの最大時間長は５ｍｓ未満、ＳＳ　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔ　ｐｅｒｉｏｄは５ｍｓ～１６０ｍｓである。ＳＳ　Ｂｌｏｃｋは、基地局１０のサービスエリア全域に報知することが必要である。しかしながら、ビームフォーミングを用いるシステムでは同時にサービスエリアに報知ができない場合がある。

　図７は、実施の形態３にかかる基地局１０がＳＳ　Ｂｌｏｃｋを送信する動作を示す図である。基地局１０が同時にサービスエリアに報知できない場合、図７に示すように基地局１０はビーム方向を変更しながら複数回、ＳＳ　Ｂｌｏｃｋを送信することで、サービスエリア全域に同期信号または報知情報を配信する。図７ではＡ１～Ａ４の４つのビームを形成し、ビーム方向を変更しながらＳＳ　Ｂｌｏｃｋを送信している。図７に示す基地局１０は、Ａ３のビームを形成してＳＳ　Ｂｌｏｃｋを送信している。

　図８は、実施の形態３にかかる無線中継装置２０ａのビームの指向性形成の手順を示す図である。図８（ａ）において、無線中継装置２０ａは、基地局側アンテナ素子部２１を用いてＢ１の方向に指向性ビームを形成し、基地局１０からのＰＳＳ信号またはＳＳＳ信号を測定する。基地局１０はビーム方向を切り替えながらＳＳ　Ｂｌｏｃｋの送信を行う。無線中継装置２０ａが、ＰＳＳまたはＳＳＳ信号を検出した場合、検出した信号の受信信号強度と、信号を検出した時のビームインデックス（ＳＳＢ　ｉｎｄｅｘ：Synchronization　Signal　Block　index）を記録する。ビームインデックスは、例えば、図８においてＡ１～Ａ４で示される。無線中継装置２０ａは、受信ビームの指向性または周辺環境により、基地局１０の複数のビーム（５ｍｓ以内）からの信号を受信する場合がある。このため、無線中継装置２０ａは、信号検出に際して、複数のＳＳ　ｂｕｒｓｔ　ｓｅｔ　ｐｅｒｉｏｄの期間の測定を行い、検出精度を確保することが望ましい。

　次に、図８（ｂ）において、無線中継装置２０ａは基地局側アンテナ素子部２１の指向性を変更し、Ｂ２へビームを切り替える。この後、無線中継装置２０ａは、図８（ａ）と同様に、ＰＳＳまたはＳＳＳを測定し、ビームインデックスと受信信号強度とを記録する。次に、図８（ｃ）において、引き続き無線中継装置２０ａの基地局側アンテナ素子部２１の指向性をＢ３に変更して同様の測定を行う。さらに、図８（ｄ）において、基地局側アンテナ素子部２１の指向性をＢ４に変更して同様の測定を行う。

　無線中継装置２０ａの基地局側アンテナ素子部２１で選択可能な全てのビーム、またはあらかじめ基地局探索用に定められたビームの測定が完了した後、記録された無線中継装置２０ａのビーム番号（図８の例ではＢ１～Ｂ４）とビームインデックスのペアとを同期信号の受信信号電力でソートする。無線中継装置２０ａは、一定のＳＮ（Signal　Noise）比で閾値を設定し、設定した閾値を超えるビームペアを抽出する。例として、図８の場合を用いると、（Ａ４，Ｂ１：電力Ｐ１）、（Ａ３，Ｂ２：電力Ｐ２）、（Ａ２，Ｂ２：電力Ｐ３）、（Ａ１，Ｂ３：電力Ｐ４）のペアが閾値を超えた場合、Ｂ１、Ｂ２、およびＢ３が無線中継装置２０ａの指向性ビームの候補となる。この場合、Ｂ４は、Ａ１とのペアにおいてＢ３よりも受信信号電力が小さいため候補として選択されない。Ｐ１～Ｐ４は、それぞれのペアにおける最大の受信信号電力の値である。

　無線中継装置２０ａは、基地局側アンテナ素子部２１が形成可能なビーム数Ｎに応じて、候補となるビームから使用するビームを選択する。使用するビームは、原則、受信信号電力の順にビームを選択すべきである。例えば、Ｎ＝２であり、図８の例を用いる場合、受信信号電力の大きさがＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４の順であれば、無線中継装置２０ａは、基地局１０側ビームとして、Ｐ１とＰ２に対応するＢ１とＢ２とを選択する。しかしながら、ＭＩＭＯ環境ではアイソレーションの高いビームを選択する方が、受信信号電力が大きいビームを選択するよりも、伝送容量が増大することが考えられる。この場合は、基地局１０のビームとしてＡ４とＡ１とを使うために、無線中継装置２０ａでＢ１とＢ３を選択しても良い。アイソレーションの高いビームを選択する方法としては、基地局１０のビームインデックスが互いに離れているものの組み合わせを選択する方法、基地局１０のビームの指向方向が離れているものの組み合わせを選択する方法などがある。しかし、この選択基準は様々なケースが考えられるため、ここでは限定しない。また、閾値を上回るビーム数がＮに満たない場合には、候補外のビームから選択しても良い。

　以上説明したように、本実施の形態では、無線中継装置２０ａにおいて利得の高い伝搬路にビームを形成することができ、無線中継装置２０ａは基地局１０と端末装置３０との間の伝送容量の低下を抑制することができる。

実施の形態４．
　本実施の形態では、無線中継装置２０ａの端末装置側アンテナ素子部２７のビーム指向方向の設定方法の一例を示す。一つ目の設定方法は、端末装置３０向けのビームのアイソレーションを重視し、あらかじめ定められた方向へ端末装置３０のビームを形成する方法である。無線中継装置２０ａの設置時に端末装置側アンテナ素子部２７の指向方向、および形成するビームのアイソレーションは推定可能と考えられる。アイソレーションを定量的に示す指標としては、例えば、アンテナ間の相関が挙げられる。アンテナ間の相関は主に、アンテナの指向性（アンテナの指向方向）、アンテナ間の距離、反射波（反射点）の数、反射波の強さ（壁または反射点の材質）、および送受信する信号の周波数帯で決定される。このため、アンテナ間の相関は、無線中継装置２０ａのアンテナの指向性およびアンテナ間の距離の設計に基づいて推定が可能である。また、アンテナ間の相関は、無線中継装置２０ａが狭い屋内に設置される、屋外でビル多数の場所に設置されるなど、無線中継装置２０ａの設置場所の条件に基づいて、無線中継装置２０ａの設置業者による推定が可能である。よって、端末装置側アンテナ素子部２７の指向方向、および形成するビームのアイソレーションは、設置業者によって推定可能である。このため、無線中継装置２０ａの設置後に、推定結果を基に設置業者がアンテナ間の相関が低いビームを選択部２８に設定することで、選択部２８がアンテナ間の相関が低い端末装置側ビームを選択することができる。このため、選択部２８は、端末装置３０の位置に関わらず、アンテナ間の相関が低いＭ個のビームを固定的に選択することができる。

　また、無線中継装置２０ａの運用後に、基地局１０および端末装置３０からの信号を受信して伝送路推定を行うことでアンテナ間の相関を推定することもできる。運用後の無線中継装置２０ａのアンテナ間の相関の推定方法について説明する。例えば、一方の装置の特定のアンテナから送信された信号を、他方の装置のアンテナｘとアンテナｙとで受信する場合について説明する。他方の装置のアンテナｘとアンテナｙとがそれぞれ一方の装置から、時間方向で信号を連続で取得しすることで、アンテナｘの時系列信号ｒｘ（ｎ）とアンテナｙの時系列信号ｒｙ（ｎ）とが得られる。アンテナｘとアンテナｙとの相関は、ｒｘ（ｎ）とｒｙ（ｎ）との相互相関を計算することにより推定することができ、この推定結果がアンテナ間の相関である。なお、以降のビームの組み合わせの制御、ビームの指向方向の制御、無線中継装置２０ａの運用後のアイソレーションの推定などは選択部２８が行うこととするが、選択部２８が行うことに限定されない。

　二つ目の設定方法は、端末装置３０から送信される信号の受信信号電力を計測し、受信信号電力値の高い方向へビームの指向方向を設定する手法である。基地局１０からは、定常的な信号の送信が担保されるが、端末装置３０からの定常的な信号の送信は担保されない。このため、無線中継装置２０ａが備える選択部２８は一定時間、受信信号電力の測定を行い、端末装置３０からの信号の受信信号電力を計測し、瞬時電力の最大値を記録する。ここで、瞬時電力とは端末装置３０の平均送信電力が得られる最小単位であり、５ＧではＯＦＤＭ（Orthogonal　Frequency　Division　Multiplexing）シンボル長が相当する。５Ｇにおいてはサブキャリア幅１５ｋＨｚの場合、ＯＦＤＭシンボル長は、約７０マイクロ秒に相当するが、基地局１０のサブキャリア幅設定により変動する。このため、瞬時電力の最大値は、１００マイクロ秒程度の平均電力で評価されることが望ましい。端末装置３０からの信号の受信信号電力を計測する際、無線中継装置２０ａでは信号の中身について解析ができない。このため、受信した信号を用いて端末装置３０を識別することは難しい。このため、例えば、無線中継装置２０ａは、指向性設定モードにおいて、一定時間ごと、例えば１秒ごとに端末装置３０ビームの指向方向を変更し、各ビームの受信信号電力（瞬時電力の最大値）を記録することが考えられる。また、全方向の測定結果より、受信信号電力が大きな順にＭ個のビームを選択することが考えられる。

　以上説明したように、本実施の形態により、無線中継装置２０ａにおいて端末装置３０にも利得の高いビームを選択でき、無線中継装置２０ａは、基地局１０と端末装置３０との間の伝送容量の低下を抑制することができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　無線通信システム、１０　基地局、２０，２０ａ　無線中継装置、２１，２１－１～２１－Ｎ　基地局側アンテナ素子部、２２，２２－１～２２－Ｎ　基地局側ビーム形成部、２３　基地局側ビーム制御部、２４　端末装置側ビーム制御部、２５，２５－１～２５－Ｎ　端末装置側ビーム形成部、２６，２６－１～２６－Ｎ　加算部、２７，２７－１～２７－Ｎ　端末装置側アンテナ素子部、２８　選択部、３０　端末装置、４００　制御回路、４００ａ　プロセッサ、４００ｂ　メモリ。

Claims (10)

1. 　基地局との通信のための複数の第１のビームを形成可能な第１のアンテナ部と、
   　端末装置との通信のための複数の第２のビームを形成可能な第２のアンテナ部と、
   　を備え、
   　複数の前記第１のビームと複数の前記第２のビームとはそれぞれ紐付けられ、紐付けられた前記第１のビームと前記第２のビームとを用いて前記基地局と前記端末装置との通信を中継することを特徴とする無線中継装置。
2. 　前記第１のビームおよび前記第２のビームはサブバンドごとに形成され、
   　前記第１のビームと前記第２のビームとは、前記サブバンドごとに紐付けられることを特徴とする請求項１に記載の無線中継装置。
3. 　前記第１のビームと前記第２のビームとの紐付けの組み合わせを選択する選択部を備え、
   　前記選択部は、
   　前記第１のビームの数が前記第２のビームの数よりも少ない場合、複数の前記第１のビームによって送受信される信号のいずれかを複製し、前記複製した信号を用いてビームの紐付けを行うことを特徴とする請求項１または２に記載の無線中継装置。
4. 　前記選択部は、
   　前記第１のビームの数が前記第２のビームの数よりも多い場合、前記第２のビームによって送受信される信号同士を加算し、前記加算した信号を用いてビームの紐付けを行うことを特徴とする請求項３に記載の無線中継装置。
5. 　前記選択部は、
   　前記第１のビームごとに前記基地局が送信する同期信号を受信し、前記同期信号の受信信号電力が大きな順に、前記基地局が形成するビームと前記第１のビームとの組み合わせを決定することを特徴とする請求項３に記載の無線中継装置。
6. 　前記選択部は、
   　前記第１のビームごとに前記基地局が送信する同期信号を受信し、前記同期信号の受信信号電力が閾値を超えた、前記基地局が形成するビームと前記第１のビームとの組み合わせを抽出し、該組み合わせの中から前記基地局が形成するビームのビームインデックスが互いに離れている組み合わせを選択することを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の無線中継装置。
7. 　前記選択部は、
   　前記第１のビームごとに前記基地局が送信する同期信号を受信し、前記同期信号の受信信号電力が閾値を超えた、前記基地局が形成するビームと前記第１のビームとの組み合わせを抽出し、該組み合わせの中から前記基地局が形成するビームの指向方向が互いに離れている組み合わせを選択することを特徴とする請求項３から５のいずれか１つに記載の無線中継装置。
8. 　前記端末装置との通信に用いる前記第２のビームは、
   　前記端末装置へ信号を送信するアンテナ素子の指向方向に基づいて選択されることを特徴とする請求項３から７のいずれか１つに記載の無線中継装置。
9. 　前記選択部は、
   　一定時間ごとに前記第２のビームの指向方向を変更し、それぞれの前記第２のビームで受信した第２の信号の受信信号電力が大きな順に前記端末装置との通信に用いる第２のビームを選択することを特徴とする請求項３から８のいずれか１つに記載の無線中継装置。
10. 　請求項１から９のいずれか１つに記載の無線中継装置と、
    　前記無線中継装置と通信する基地局と、
    　前記無線中継装置と通信する端末装置と、
    　を備え、
    　前記無線中継装置は、
    　前記基地局との通信のために形成する複数の第１のビームを用いて前記基地局と通信し、
    　前記端末装置との通信のために形成する複数の第２のビームを用いて前記端末装置と通信し、
    　前記複数の第１のビームと前記複数の第２のビームとはそれぞれ紐付けられることを特徴とする無線通信システム。

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