WO2022024223A1

WO2022024223A1 - 反射方向制御方法、反射方向制御システム、反射方向制御装置、及び反射方向制御プログラム

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Publication number: WO2022024223A1
Application number: PCT/JP2020/028906
Authority: WO
Inventors: 陸大宮; 匡史岩渕; 友規村上; 智明小川; 泰司鷹取
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-02-03
Also published as: JPWO2022024223A1; US20230275624A1

Abstract

反射方向制御方法は、電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定工程と、推定した到来方向から送信される電波を反射部が所定方向に反射させるように、複数の反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御工程と、到来方向を推定する電波を反射部に受信させるアンテナモードと、反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替工程とを含むことを特徴とする。

Description

反射方向制御方法、反射方向制御システム、反射方向制御装置、及び反射方向制御プログラム

　本発明は、反射方向制御方法、反射方向制御システム、反射方向制御装置、及び反射方向制御プログラムに関する。

　無線アクセスの高速大容量化を図るために、広帯域を確保可能な高周波数帯を活用することが注目されている。例えば、第５世代移動通信システムでは２８ＧＨｚ帯を、無線ＬＡＮ規格であるＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ（ミリ波無線ＬＡＮシステム）では６０ＧＨｚ帯を用いて高速大容量化を実現している。

　高周波数帯の電波は、低周波数帯の電波よりも減衰しやすく、回折しづらい電波特性を有している。そのため、高周波数帯を活用する場合、伝送距離が短いことや、遮蔽によって受信品質が大きく劣化することが課題となっている。

　電波の減衰を補償するためには、送受信局において多素子アンテナを用いたビームフォーミングが有効である。すなわち、ビームフォーミング利得によって電波減衰を補償し、伝送距離を延ばすことが可能である。

　ビームフォーミングでは、送受信局の双方で特定の方向からの電波を強く送受信するため、受信局では電力の高い１つのパスからの電波を主に受信することになる。その結果、ビームフォーミングでは空間多重数が１（又は、偏波多重により２）にとどまり、同一信号を受信することによる空間ダイバーシチ効果も得づらくなっている。

　一方、遮蔽や見通し外における受信品質の劣化を改善するためには、多数のアンテナを設置する方法がある。例えば、多くの送信アンテナを設置することにより、遮蔽や見通し外となる範囲を少なくすることができる。また、多くの送信アンテナを設置することにより、上述したビームフォーミングにおける課題を解決することも可能である。

　しかし、多数の送信アンテナを設置することは、ネットワークコストの増加や設置場所の不足を招いてしまうという問題がある。多数の送信点を設けるという観点では、より低コストであり、かつ、設置規模や制約が小さい反射板などを活用することも有効である。

　従来は、反射特性を動的に制御することは困難であった。しかし、メタサーフェスやアレー素子構成を用いた反射特性の動的制御が可能な反射板（動的反射板）が開発可能となったことから、動的反射板を用いて遮蔽や見通し外の範囲を小さくしつつ、空間多重化や空間ダイバーシチ利得を得る方法が実現可能となっている（例えば、非特許文献１，２，３参照）。

　動的反射板を制御する方法には、動的反射板が電波を反射させるときに、電波の位相を制御することによって電波の特性を変化させる方法がある。例えば、送受信局間のチャネル情報（CSI：Channel State Information）に基づいて、アレー素子で構成された動的反射板が反射させる電波の位相を変化させる方法がある（例えば、非特許文献３参照）。

C.Liaskos, A.Tsioliaridou, A.Pitsillides, S.Ioannidis, and I.Akyildiz, "Using Any Surface to Realize a New Paradigm for Wireless Communications", Communications of the ACM, Nov. 2018., Vol.61, No.11, pp.30-33 E.Baser, M.D.Renzo, J.D.Rosny, M.Debbah, M-SAlouini, and R.Zhang, "Wireless Communications Through Reconfigurable Intelligent Surfaces", IEEE Access, Aug. 2019., Vol.7, pp.116753-116773 Q.Wu, and R.Zhang, "Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network via Joint Active and Passive Beamforming", IEEE transaction on wireless communications, Nov. 2019., vol.18, no.11, pp.5394-5409

　しかしながら、送受信局間のチャネル情報に基づく従来方式では、受信局における特性を最適な状態にすることが可能であるが、電波が経由するアレー素子ごとのチャネル情報が必要になってしまう。例えば、動的反射板が１００個のアレー素子からなる場合、１００通りのチャネル情報に基づいて位相の変化量を算出する必要がある。

　つまり、チャネル情報を取得するために、大きなオーバーヘッドが生じてしまう。また、アレー素子それぞれの位相の変化量を算出するためには、一定の計算リソースが必要であると考えられるため、位相の変化量を基地局側で算出することが想定される。この場合には、基地局に新たな機能を持たせなければ、動的反射板による品質改善を実現することができない。

　また、基地局と動的反射板とは、離れた場所に設置されることが想定される。そのため、従来方法では、基地局が算出した位相の変化量を動的反射板に反映させるための通信手段が必要になり、動的反射板も当該基地局と連携するための機能が必要であった。

　本発明は、上述した課題を鑑みてなされたものであり、電波の反射方向を少ない演算量で動的に制御することができる反射方向制御方法、反射方向制御システム、反射方向制御装置、及び反射方向制御プログラムを提供することを目的とする。

　本発明の一態様にかかる反射方向制御方法は、電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定工程と、推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御工程と、到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替工程とを含むことを特徴とする。

　また、本発明の一態様にかかる反射方向制御システムは、電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部と、前記反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、前記到来方向推定部が推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御部と、前記到来方向推定部が到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記位相制御部の制御に応じて前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替部とを有することを特徴とする。

　また、本発明の一態様にかかる反射方向制御装置は、電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、前記到来方向推定部が推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御部と、前記到来方向推定部が到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記位相制御部の制御に応じて前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替部とを有することを特徴とする。

　本発明によれば、電波の反射方向を少ない演算量で動的に制御することができる。

一実施形態にかかる無線通信システムの構成例を示す図である。一実施形態にかかる反射方向制御システムが有する機能を例示する機能ブロック図である。一実施形態にかかる反射方向制御システムの動作例を示すフローチャートである。無線通信システムの変形例の構成を示す図である。一実施形態にかかる反射方向制御装置のハードウェア構成例を示す図である。動的反射板を備えた比較例の無線通信システムの構成例を示す図である。

　一実施形態にかかる反射方向制御システムを説明するにあたって、まず、本発明がなされるに至った背景について説明する。図６は、動的反射板を備えた比較例の無線通信システム１０の構成例を示す図である。

　無線通信システム１０は、基地局１１と無線端末１２とが無線通信を行うために、複数の反射素子を備える動的反射板１３が電波を反射させて中継する。このとき、基地局１１は、動的反射板１３が備える複数の反射素子の全てに対するチャネル情報（CSI：Channel State Information）を取得し、動的反射板１３が反射させる電波の位相を調整する。

　したがって、基地局１１は、一般的な基地局としての機能に加えて、複数の反射素子の全てに対するチャネル情報を取得して処理する高度な信号処理機能と、動的反射板１３に対して反射特性を変化させるための位相に関する情報を通知する機能が必要である。

　つまり、基地局１１は、チャネル情報を取得するためのオーバーヘッドが増加し、反射素子の数が多ければ動的反射板１３が反射させる電波の位相を動的に制御するための演算量が膨大になってしまう。

　次に、一実施形態にかかる反射方向制御システムを備えた無線通信システムについて説明する。図１は、一実施形態にかかる無線通信システム１の構成例を示す図である。図１に示すように、無線通信システム１は、例えば基地局２と、１台以上の無線端末３とが反射方向制御システム４を介して無線通信を行うように構成されている。

　反射方向制御システム４は、無線端末３が送信する電波を基地局２に向けて反射させるとともに、基地局２が送信する電波を無線端末３に向けて反射させるように構成されている。

　図２は、一実施形態にかかる反射方向制御システム４が有する機能を例示する機能ブロック図である。図２に示すように、反射方向制御システム４は、反射部５及び反射方向制御装置６を有する。

　反射部５は、例えばｎ個の反射素子５０－１～５０－ｎを備え、例えば反射素子５０－１～５０－ｎがアレー状に配置された動的反射板（ＩＲＳ：Intelligent Reflecting Surface）である。反射素子５０－１～５０－ｎは、基地局２が送信する電波、及び、無線端末３が送信する電波を反射方向制御装置６の制御に応じて反射させる。例えば、反射素子５０－１～５０－ｎは、いわゆるメタマテリアルであり、電波を反射させるときに位相特性を動的に変化可能にされている。

　また、反射部５は、後述するように、切替部６６４がアンテナモードに切替えた場合には、所定値よりも低い周波数の電波を受信し、切替部６６４が反射モードに切替えた場合には、所定値よりも高い周波数の電波を反射するように構成されてもよい。

　反射方向制御装置６は、到来方向推定部６０、位相算出部６２、ウェイト算出部６４、及び反射素子制御部６６を有し、反射部５が有する動作及び機能を制御する。

　到来方向推定部６０は、例えば反射部５に対して無線端末３が送信した電波の到来方向を推定し、推定した電波の到来方向を示す到来方向情報を位相算出部６２に対して出力する。具体的には、到来方向推定部６０は、無線端末３が送信した電波を反射部５がアンテナモード（後述）において受信した場合、反射部５が受信した電波に基づいて、無線端末３が送信した電波の到来方向を推定する。

　位相算出部６２は、到来方向推定部６０が出力した到来方向情報に基づいて、例えば無線端末３が反射部５に向けて送信した電波を反射部５が所定方向（例えば基地局２の方向）に反射させるように、反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれが反射すべき電波の位相を算出し、算出した位相を示す位相情報をウェイト算出部６４に対して出力する。

　ウェイト算出部６４は、位相算出部６２が出力した位相情報に基づいて、変化させるべき位相に対応するウェイトを反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれに対して算出し、算出したウェイトを反射素子制御部６６に対して出力する。

　なお、ウェイト算出部６４は、位相算出部６２が出力した位相情報に基づいて、例えば反射部５の指向性を最大にするようにウェイトを算出することも、反射部５の指向性を最低（ヌル）とするようにウェイトを算出することも可能にされている。

　反射素子制御部６６は、記憶部６６０、位相制御部６６２、及び切替部６６４を有する。記憶部６６０は、ウェイト算出部６４が出力したウェイトなどの情報を記憶し、位相制御部６６２からのアクセスに応じて、記憶している情報を位相制御部６６２に対して出力する。

　位相制御部６６２は、例えば記憶部６６０が記憶しているウェイトに基づいて、反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれに対し、反射させる電波の位相が少しずつずれるように制御を行う。例えば、反射素子５０－１～５０－ｎが上述したメタマテリアルである場合、位相制御部６６２は、反射素子５０－１～５０－ｎの特性をそれぞれ変化させることによって位相シフト量を動的に変化させて、反射部５が所定方向にビームフォーミングを行うように制御を行う。

　つまり、位相制御部６６２は、到来方向推定部６０が推定した到来方向から送信される電波を反射部５が所定方向に反射させるように、反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれが反射する電波の位相を制御する。

　切替部６６４は、作業者からの指示又は所定の設定に応じて、到来方向推定部６０が到来方向を推定する電波を反射部５に受信させるアンテナモードと、位相制御部６６２の制御に応じて反射部５に電波を反射させる反射モードとを切替える。

　つまり、反射方向制御システム４は、例えば作業者からの指示又は所定の設定に応じて、無線端末３が送信する電波の到来方向を推定するために反射部５を用いるアンテナモードと、無線端末３と基地局２の通信を反射部５による反射で中継する反射モードとを切替えることができるように構成されている。

　なお、アンテナモードで反射部５が受信する電波は、無線端末３が送信する例えば低周波数のテスト信号などであってもよいし、無線端末３が送信する例えば高周波数の通常信号であってもよい。

　図３は、一実施形態にかかる反射方向制御システム４の動作例を示すフローチャートである。図３に示すように、反射方向制御システム４は、切替部６６４がアンテナモードに切替えているか否かを判定する（Ｓ１００）。反射方向制御システム４は、切替部６６４がアンテナモードに切替えていると判定した場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）にはＳ１０２の処理に進み、アンテナモードに切替えていないと判定した場合（Ｓ１００：Ｎｏ）にはＳ１０８の処理に進む。

　反射方向制御システム４は、反射部５に対して無線端末３が送信した電波の到来方向を到来方向推定部６０が推定（Ｓ１０２）すると、位相算出部６２が到来方向情報に基づいて反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれの位相を算出する（Ｓ１０４）。

　そして、反射方向制御システム４は、ウェイト算出部６４が位相情報に基づいて反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれのウェイトを算出（Ｓ１０６）すると、算出されたウェイトを記憶部６６０が記憶する。

　そして、反射方向制御システム４は、記憶部６６０が記憶したウェイトを用いて位相制御部６６２が反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれに対して位相制御を行うことにより、反射部５が所定方向にビームフォーミングを行う（Ｓ１０８）。

　次に、無線通信システム１の変形例について説明する。図４は、無線通信システム１の変形例（無線通信システム１ａ）の構成を示す図である。図４に示すように、無線通信システム１ａは、例えば基地局２と、１台以上の無線端末３とが複数の反射方向制御システム４を介して無線通信を行うことができるように構成されている。

　また、反射方向制御システム４それぞれは、図示しない通信部を介して中継制御装置７との間で相互に通信を行うことができるようにされている。中継制御装置７は、反射方向制御システム４それぞれを制御することにより、基地局２と無線端末３とが少なくとも反射方向制御システム４のいずれかを介して無線通信を行うことを可能にする。

　無線通信システム１ａにおいて、複数の反射方向制御システム４が備える反射部５（図２）が、無線端末３が送信した電波をアンテナモードにおいてそれぞれ受信した場合、到来方向推定部６０は、複数の反射部５それぞれが受信した電波に基づいて、無線端末３が送信した電波の到来方向を推定してもよい。

　また、反射方向制御装置６が有する機能は、反射方向制御システム４それぞれが備えていてもよいし、中継制御装置７が備えていてもよい。

　このように、無線通信システム１及び無線通信システム１ａは、到来方向推定部６０が到来方向を推定する電波を反射部５に受信させるアンテナモードと、位相制御部６６２の制御に応じて反射部５に電波を反射させる反射モードとを切替えるので、電波の反射方向を少ない演算量で動的に制御することができる。

　つまり、無線通信システム１及び無線通信システム１ａは、複数の反射素子の全てに対するチャネル情報を取得することなく、反射素子の全てに対するチャネル情報を処理する高度な信号処理機能を備えていなくても、電波の反射方向を動的に制御することができる。

　また、無線通信システム１及び無線通信システム１ａは、反射方向制御システム４が電波の到来時に反射素子５０－１～５０－ｎそれぞれによって反射させる電波の位相を制御するので、基地局２によるカバレッジを拡大することも可能である。

　なお、反射方向制御装置６が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。

　例えば、本発明にかかる反射方向制御装置６は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

　図５は、一実施形態にかかる反射方向制御装置６のハードウェア構成例を示す図である。図５に示すように、例えば反射方向制御装置６は、入力部９００、出力部９１０、通信部９２０、ＣＰＵ９３０、メモリ９４０及びＨＤＤ９５０がバス９６０を介して接続され、コンピュータとしての機能を備える。また、反射方向制御装置６は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体９７０との間でデータを入出力することができるようにされている。

　入力部９００は、例えばキーボード及びマウス等である。出力部９１０は、例えばディスプレイなどの表示装置である。通信部９２０は、例えば無線のネットワークインターフェースである。

　ＣＰＵ９３０は、上述したように反射方向制御装置６を構成する各部を制御し、所定の処理等を行う。メモリ９４０及びＨＤＤ９５０は、データ等を記憶する例えば上述した記憶部６６０である。

　記憶媒体９７０は、反射方向制御装置６が有する機能を実行させるプログラム等を記憶可能にされている。なお、反射方向制御装置６を構成するアーキテクチャは図５に示した例に限定されない。また、中継制御装置７などの無線通信システム１ａを構成する他の構成も反射方向制御装置６と同様のハードウェア構成であってもよい。

　ここでいう「コンピュータ」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体等の記憶装置のことをいう。

　さらに「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するものや、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータ内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含んでもよい。

　以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、上述の実施形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明が上述の実施形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で、構成要素の追加、省略、置換、その他の変更が行われてもよい。

　１，１ａ・・・無線通信システム、２・・・基地局、３・・・無線端末、４・・・反射方向制御システム、５・・・反射部、６・・・反射方向制御装置、７・・・中継制御装置、５０－１～５０－ｎ・・・反射素子、６０・・・到来方向推定部、６２・・・位相算出部、６４・・・ウェイト算出部、６６・・・反射素子制御部、６６０・・・記憶部、６６２・・・位相制御部、６６４・・・切替部、９００・・・入力部、９１０・・・出力部、９２０・・・通信部、９３０・・・ＣＰＵ、９４０・・・メモリ、９５０・・・ＨＤＤ、９６０・・・バス、９７０・・・記憶媒体

Claims

　電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定工程と、
　推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御工程と、
　到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替工程と
　を含むことを特徴とする反射方向制御方法。
　前記切替工程により反射モードに切替えた場合には、前記反射部は、前記切替部がアンテナモードに切替えた場合とは異なる周波数の電波を反射すること
　を特徴とする請求項１に記載の反射方向制御方法。
　無線端末が送信した電波を複数の前記反射部がそれぞれアンテナモードにおいて受信した場合、
　前記到来方向推定工程では、
　複数の前記反射部それぞれが受信した電波に基づいて、無線端末が送信した電波の到来方向を推定すること
　を特徴とする請求項１又は２に記載の反射方向制御方法。
　電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部と、
　前記反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、
　前記到来方向推定部が推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御部と、
　前記到来方向推定部が到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記位相制御部の制御に応じて前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替部と
　を有することを特徴とする反射方向制御システム。
　前記反射部は、
　前記切替部が反射モードに切替えた場合には、前記切替部がアンテナモードに切替えた場合とは異なる周波数の電波を反射すること
　を特徴とする請求項４に記載の反射方向制御システム。
　無線端末が送信した電波を複数の前記反射部がそれぞれアンテナモードにおいて受信した場合、
　前記到来方向推定部は、
　複数の前記反射部それぞれが受信した電波に基づいて、無線端末が送信した電波の到来方向を推定すること
　を特徴とする請求項４又は５に記載の反射方向制御システム。
　電波を反射させる場合の位相特性を動的に変化可能にされた複数の反射素子を備えた１つ以上の反射部に対して無線端末が送信した電波の到来方向を推定する到来方向推定部と、
　前記到来方向推定部が推定した到来方向から送信される電波を前記反射部が所定方向に反射させるように、複数の前記反射素子それぞれが反射する電波の位相を制御する位相制御部と、
　前記到来方向推定部が到来方向を推定する電波を前記反射部に受信させるアンテナモードと、前記位相制御部の制御に応じて前記反射部に電波を反射させる反射モードとを切替える切替部と
　を有することを特徴とする反射方向制御装置。
　請求項７に記載の反射方向制御装置の各部としてコンピュータを機能させるための反射方向制御プログラム。