JP2014187564A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】Ｄ２Ｄによる直接通信中であっても基地局との通信が可能な無線通信システムを提供する。
【解決手段】無線通信システム１００の構成は、ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局１１０および２以上の無線端末（第１の携帯電話機１２０ａ・第２の携帯電話機１２０ｂ）を含み、基地局は、無線端末の位置情報によって、それらの無線端末が直接通信が可能な範囲に存在していると推定し、それらの無線端末それぞれから送信されたＧＰＳ情報により、それらの無線端末が直接通信が可能な範囲に存在すると判断したら、一方の無線端末のタイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させて、それらの無線端末を直接通信させ、他方の無線端末は、ＭＵ−ＭＩＭＯの少なくとも１つのストリームを用いて他の無線端末との直接通信を行いながら、他のストリームを用いて基地局と接続状態を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基地局および２以上の無線端末を含む無線通信システムに関する。

近年、互いに干渉しない複数の信号波を送信し、複数の端末に同時に信号を送信できるＭＵ−ＭＩＭＯ(multi-user MIMO)を実装した無線端末が普及している。その一方で、基地局を介さずに携帯電話機等の無線端末同士を直接通信させるＤ２Ｄ（Device to Device）の実用化が検討されている（例えば、非特許文献１）。Ｄ２Ｄを採用することにより、基地局の混雑を緩和し、無線リソースの有効活用や基地局の消費電力低減が可能になると考えられている。また地震などの災害時に、通信需要が回線容量を上回ってしまって輻輳が生じたり、基地局が損傷を受けたりすることにより通信障害が発生したとしても、Ｄ２Ｄであれば通信が可能であるというメリットもある。

基地局を介さずケータイ同士が直接通信――3GPPで標準化が進む「D2D」とは？、[online]、［平成25年3月5日検索］、＜ＵＲＬ：http://businessnetwork.jp/Detail/tabid/65/artid/2518/Default.aspx＞

しかしながら、上述したようにＤ２Ｄは無線端末同士の直接通信であるため、Ｄ２Ｄが開始されると、無線端末と基地局との通信が切断される。このため、直接通信をしている無線端末は基地局のスケジューリングから外れてしまったり、基地局への位置登録等に関する情報をかかる基地局へ通知できなくなってしまったりする。また基地局との同期が取れていないため、基地局や他の無線端末からの電波干渉を受けることが懸念され、これらの課題が、無線端末間におけるＤ２Ｄの実用化の障壁となっていた。

本発明は、このような課題に鑑み、無線端末が直接通信中であっても基地局との通信が可能な無線通信システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかる無線通信システムの代表的な構成は、ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局および２以上の無線端末を含む無線通信システムであって、前記基地局は、前記無線端末の位置情報が登録されることにより該無線端末の位置を認識し、前記認識した位置により、前記２以上の無線端末のうち、該基地局に接続されている無線端末と、該接続されている無線端末と無線通信を行っている他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在していると推定したら、それぞれの無線端末の位置情報を該基地局に送信させ、前記送信された位置情報により、前記接続されている無線端末と、前記他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在すると判断したら、該他の無線端末のタイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させて、前記接続されている無線端末と該他の無線端末とを直接通信させ、前記基地局に接続されている無線端末は、ＭＵ−ＭＩＭＯの少なくとも１つのストリームを用いて前記他の無線端末との直接通信を行いながら、他のストリームを用いて前記基地局と接続状態を維持することを特徴とする。

上記基地局に接続されている無線端末は、他の無線端末と直接通信を行っている間、他の無線端末のデータ通信のリピーターとして動作するとよい。

上記基地局は、基地局に接続されている無線端末および他の無線端末が直接通信に使用している周波数帯と同じ周波数帯を用いて、２台の無線端末よりも基地局に近い位置にある第３の無線端末と小電力で通信を行うとよい。

本発明によれば、無線端末が直接通信中であっても基地局との通信が可能な無線通信システムを提供することができる。

本実施形態にかかる無線通信システムを説明する図である。 基地局および携帯電話機の機能ブロック図である。 基地局を介した携帯電話機同士の無線通信を説明する図である。 本実施形態にかかる無線通信システムのシーケンス図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

理解を容易にするために、本実施形態では、無線端末として携帯電話機（スマートフォンも含む。以下、携帯電話機１２０と称する。）を例示するが、これに限定するものではない。

図１は、本実施形態にかかる無線通信システム１００を説明する図である。図１（ａ）は本実施形態の無線通信システム１００の全体構成を説明する図であり、図１（ｂ）はそのタイムスロットを例示している。図１に示すように、本実施形態にかかる無線通信システム１００は、ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局１１０、および同様にＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な２以上の無線端末である複数の携帯電話機１２０（第１の携帯電話機１２０ａ・第２の携帯電話機１２０ｂ・第３の携帯電話機１２０ｃ）を含んで構成される。

図２は、基地局１１０および携帯電話機１２０の機能ブロック図であり、図２（ａ）は基地局１１０の機能ブロック図であり、図２（ｂ）は携帯電話機１２０の機能ブロック図である。なお、以下の説明では、特にことわらない限り、携帯電話機１２０と称した場合は第１の携帯電話機１２０ａ・第２の携帯電話機１２０ｂ・第３の携帯電話機１２０ｃのすべてをさすものとし、３つの携帯電話機１２０を識別する際には、それぞれ第１の携帯電話機１２０ａ・第２の携帯電話機１２０ｂ・第３の携帯電話機１２０ｃと称する。

また本実施形態では、２以上の無線端末としてすべて携帯電話機を例示しているが、携帯電話機とＰＤＡ等、異なる種類の無線端末同士で無線通信をする際の無線通信システムにも本発明を適用可能である。更に、本実施形態では、第１の携帯電話機１２０ａ・第２の携帯電話機１２０ｂ・第３の携帯電話機１２０ｃはすべて同一の構成を有するが、これに限定するものではなく、それらは異なる構成であってもよい。

図２（ａ）に示すように、基地局１１０は、基地局制御部１１２および基地局無線通信部１１４を備える。基地局制御部１１２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により基地局１１０全体を管理および制御し、特に本実施形態では基地局無線通信部１１４による携帯電話機１２０との通信接続を制御する。基地局無線通信部１１４は、基地局１１０側のアンテナである基地局アンテナ１１６ａ・１１６ｂ・１１６ｃを介して、携帯電話機１２０との無線通信を行う。

図２（ｂ）に示すように、携帯電話機１２０は、端末制御部１２２、端末無線通信部１２４およびＧＰＳ信号受信部１２８を備える。端末制御部１２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により携帯電話機１２０全体を管理および制御し、特に本実施形態では端末無線通信部１２４による基地局１１０との通信接続、およびＧＰＳ信号受信部１２８の動作も制御する。端末無線通信部１２４は、携帯電話機１２０側のアンテナである端末アンテナ１２６ａ・１２６ｂ・１２６ｃを介して基地局１１０との無線通信を行う。ＧＰＳ信号受信部１２８は、ＧＰＳアンテナ１２８ａを介してＧＰＳ衛星（不図示）からの信号を受信する。

なお、本実施形態では、基地局１１０は３本の基地局アンテナ１１６ａ・１１６ｂ・１１６ｃを有し、携帯電話機１２０は３本の端末アンテナ１２６ａ・１２６ｂ・１２６ｃを有する構成を例示したが、これに限定するものではない。基地局１１０および携帯電話機１２０のアンテナの数は、それぞれ２本以上、すなわちＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信を行うことが可能であれば任意に設定可能である。

図３は、基地局１１０を介した携帯電話機１２０同士の無線通信を説明する図であり、図３（ａ）は、基地局１１０を介した第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂの無線通信の説明図であり、図３（ｂ）はその際のタイムスロットを例示している。図４は、本実施形態にかかる無線通信システム１００のシーケンス図である。

図３（ａ）に示すように、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂは、基地局１１０を介して無線通信を行っている。詳細には、第１の携帯電話機１２０ａと基地局１１０とは、第１の携帯電話機１２０ａの端末アンテナ１２６ａおよび基地局１１０の基地局アンテナ１１６ａを介してストリーム１（通信路）で無線通信を行っている。第２の携帯電話機１２０ｂと基地局１１０とは、第２の携帯電話機１２０ｂの端末アンテナ１２６ｂおよび基地局１１０の基地局アンテナ１１６ｂを介してストリーム２で無線通信を行っている。

本実施形態では、無線通信方式としてＴＤＤ（Time Division Duplex：時分割複信）方式を採用している。ＴＤＤ方式は、無線端末（本実施形態においては携帯電話機１２０）と基地局１１０とが、一方から他方へまた他方から一方への通信タイミングを交互かつ短時間に切り換える方式である。具体的には、基地局１１０が送信するタイミングで無線端末（携帯電話機１２０）が受信を行い、逆に無線端末（携帯電話機１２０）が送信するタイミングで基地局１１０が受信を行う。したがって、図３（ｂ）に示すように、第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂでは、各々基地局１１０と通信をしているストリーム１および２でのタイムスロットにおいて、データを送信する上りチャネル（ＵＬ：Up Link）と、データを受信する下りチャネル（ＤＬ：Down Link）が時間軸で同じタイミングになっている。

ここで、図３（ａ）では、第２の携帯電話機１２０ｂは第１の携帯電話機１２０ａの通信範囲内（破線円で図示）に存在しないため、それらの無線通信は当然にして基地局１１０を介する必要がある。しかし、図１（ａ）に示すように、第２の携帯電話機１２０ｂが第１の携帯電話機１２０ａの電波が届く範囲内（破線円で図示）に存在する場合、それらは直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能である。しかしながら、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとが直接通信（Ｄ２Ｄ）することにより、それらと基地局１１０との接続が絶たれると、それに纏わる不具合が生じてしまうことが懸念される。

そこで本実施形態の無線通信システム１００では、ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局１１０と複数の無線端末とにおいて、基地局主導で直接通信（Ｄ２Ｄ）を開始すると共に、直接通信（Ｄ２Ｄ）を行う一方の無線端末と基地局１１０との接続状態を維持する。

図４のシーケンス図を用いて順を追って説明する。第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂは、電源投入時やハンドオーバーの際に基地局１１０に対して位置情報を送信することにより位置登録を行う（ステップＳ２０２、ステップＳ２０４）。基地局１１０は、第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂの位置情報が登録されることで、それらの位置を認識する。

そして、基地局１１０は、例えば第１の携帯電話機１２０ａの発呼時にストリーム１においてかかる第１の携帯電話機１２０ａとの無線通信を行い（ステップＳ２０６）、第２の携帯電話機１２０ｂの着呼時にストリーム２においてかかる第２の携帯電話機１２０ｂとの無線通信を行う（ステップＳ２０８）。これにより、基地局１１０を介して第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとの無線通信が行われる。このとき、第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂのストリーム１および２でのタイムスロットは、図３（ｂ）と同様にＵＬとＤＬが時間軸で同じタイミングである。

次に、基地局１１０は、ステップＳ２０２およびステップＳ２０４において登録された位置情報を参照し、２以上の無線端末（第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂ）のうち、基地局１１０に接続されている無線端末と、その無線端末と無線通信を行っている他の無線端末とが直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能な範囲に存在しているか否かを推定する。

ここで、「推定する」としたのは、位置登録の情報だけでは直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能であるかどうかが完全には特定できないためである。たとえば第１の携帯電話機１０２ａと第２の携帯電話機１０２ｂがそれぞれ隣の基地局に位置登録していたとしても、そのエリアの境界近くで互いに近接していれば、直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能である。逆に同じ基地局に位置登録していたとしても、その基地局のエリアの両端にいたとすれば、端末同士で直接通信（Ｄ２Ｄ）することは難しい。

そこで基地局１１０は、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとが直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能な範囲に存在していると推定したら、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂそれぞれにＧＰＳ情報を要求する（ステップＳ２１０、ステップＳ２１２）。そして、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂは、ＧＰＳ信号受信部１２８によって自機の位置を測量し、取得したＧＰＳ情報をそれぞれ基地局１１０に送信（通知）する（ステップＳ２１４、ステップＳ２１６）。

第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂからのＧＰＳ情報を受信したら、基地局１１０は、それを参照して２つの端末が直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能な範囲に存在するかを判断する。そして、２つの端末が直接通信（Ｄ２Ｄ）が可能な範囲に存在すると判断したら、第１の携帯電話機１２０ａに、ＭＵ−ＭＩＭＯおよび直接通信（Ｄ２Ｄ）を開始するよう指示し（ステップＳ２１８）、第２の携帯電話機１２０ｂにも直接通信（Ｄ２Ｄ）を開始するように指示する（ステップＳ２２０）。

詳細には、ステップＳ２１８では、ＭＵ−ＭＩＭＯの少なくとも１つのストリームを用いて基地局１１０と接続状態を維持しつつ、他のストリームを用いて第２の携帯電話機１２０ｂとの直接通信（Ｄ２Ｄ）を行うよう、第１の携帯電話機１２０ａに指示する。ステップＳ２２０では、図１（ｂ）に示すように第２の携帯電話機１２０ｂのタイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させて、第１の携帯電話機１２０ａとの直接通信（Ｄ２Ｄ）を行うよう、第２の携帯電話機１２０ｂに指示する。これにより、ストリーム３において第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとの直接通信（Ｄ２Ｄ）を行いながら（ステップＳ２２２）、ストリーム１において基地局１１０と１２０ａとを無線通信を続行することが可能となる。なお、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂの直接通信が実行できなかった場合は、第２の携帯電話機１２０ｂは所定時間後経過後に再度タイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させ、基地局１１０を介して第１の携帯電話機１２０ａとの無線通信を行う。

上記説明したように、本実施形態の無線通信システム１００によれば、Ｄ２Ｄを利用している際でも、基地局主導で、すなわち基地局１１０と携帯電話機の通信を維持しながら直接通信（Ｄ２Ｄ）を開始することができる。また無線端末同士（本実施形態においては第１の携帯電話機１２０ａおよび第２の携帯電話機１２０ｂ）の直接通信（Ｄ２Ｄ）が行われていても、ＭＵ−ＭＩＭＯによって基地局１１０と第１の携帯電話機１２０ａとの接続状態が維持される。かかる第１の携帯電話機１２０ａと直接通信（Ｄ２Ｄ）を行っている携帯電話機１２０ｂは、第１の携帯電話機１２０ａを介して基地局１１０に接続される。したがって、直接通信（Ｄ２Ｄ）を行っている２台の端末は依然として基地局１１０の管理下にあり、そのスケジューリングから外れてしまうこともない。

特に本実施形態では、上述したように無線通信方式としてＴＤＤを採用している。上記説明したように、直接通信（Ｄ２Ｄ）を行うためには、基地局を介して無線通信を行っている無線端末のうち一方が送受信を逆転させる必要があるが、周波数を異ならせて送受信を二重化するＦＤＤ（Frequency Division Duplex：周波数分割復信）であると、送受信の逆転を行うための回路規模が膨大且つ複雑になってしまう。故に、本実施形態のようにＴＤＤを採用することにより、上述した効果を好適に得ることが可能となる。

また本実施形態の無線通信システム１００によれば、第１の携帯電話機１２０ａを、第２の携帯電話機１２０ｂのデータ通信のリピーターとして動作させることが可能である。例えば図１（ａ）において、第１の携帯電話機１２０ａの端末アンテナ１２６ａと基地局１１０の基地局アンテナ１１６ａによってストリーム１の無線通信が行われ、第１の携帯電話機１２０ａの端末アンテナ１２６ｂと第２の携帯電話機１２０ｂの端末アンテナ１２６ａによってストリーム３の直接通信（Ｄ２Ｄ）による音声通話が行われていると仮定する。この場合、第１の携帯電話機１２０ａの端末アンテナ１２６ｃ、および第２の携帯電話機１２０ｂの端末アンテナ１２６ｂ・１２６ｃは無線通信には用いられていない。

したがって、無線通信可能な第１の携帯電話機１２０ａの端末アンテナ１２６ｃと、第２の携帯電話機１２０ｂの端末アンテナ１２６ｂまたは１２６ｃによって更なる直接通信（データ通信）を行うことにより、第１の携帯電話機１２０ａを第２の携帯電話機１２０ｂのデータ通信のリピーターとして機能させることができる。これにより、基地局１１０に接続されていない第２の携帯電話機１２０ｂが、基地局１１０への接続を要することなく、第１の携帯電話機１２０ａを介してデータ通信を行うことができる。したがって、基地局１１０の無線リソースをより有効活用することが可能となる。

上述したように第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとが直接通信可能であることにより、基地局１１０と第２の携帯電話機１２０ｂとの無線通信に用いられていた無線リソース、すなわちストリーム２を開放することができる。したがって基地局１１０は、開放された無線リソースにおいて、別の無線端末、例えば図１（ａ）に示す第３の携帯電話機１２０ｃとの無線通信を行うことが可能である。

さらに基地局１１０は、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとの直接通信に使用されている周波数帯（ストリーム３）が空きになるため、同じ周波数帯を用いて他の携帯電話機（無線端末）との通信が可能になる。しかしながら、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとが直接通信している周波数帯と同じ周波数帯において基地局１１０と第３の携帯電話機１２０ｃとが無線通信を行うと、互いに電波干渉が生じてしまうことが懸念される。

そこで本実施形態では、基地局１１０は、第３の携帯電話機１２０ｃが、直接通信を行っている第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂよりも近い位置にあった場合に、その直接通信に使用している周波数帯と同じ周波数帯を用いて第３の携帯電話機１２０ｃと小電力で通信を行う。このように小電力で通信を行うことにより、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂとの直接通信への電波干渉を生じさせることを防止することができる。なお、第１の携帯電話機１２０ａと第２の携帯電話機１２０ｂは基地局１１０から遠いために、直接通信の電波は基地局１１０と第３の携帯電話機１２０ｃとの通信に干渉しにくい。このようにして、同一の周波数帯においてより多くの無線通信を行うことができ、無線リソースの更なる有効活用を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局および２以上の無線端末を含む無線通信システムとして利用可能である。

１００...無線通信システム、１１０...基地局、１１２...基地局制御部、１１４...基地局無線通信部、１１６ａ...基地局アンテナ、１１６ｂ...基地局アンテナ、１１６ｃ...基地局アンテナ、１２０...携帯電話機、１２０ａ...第１の携帯電話機、１２０ｂ...第２の携帯電話機、１２０ｃ...第３の携帯電話機、１２２...端末制御部、１２４...端末無線通信部、１２６ａ...端末アンテナ、１２６ｂ...端末アンテナ、１２６ｃ...端末アンテナ、１２８...ＧＰＳ信号受信部、１２８ａ...ＧＰＳアンテナ

Claims (4)

1. ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局および２以上の無線端末を含む無線通信システムであって、
   前記基地局は、
   前記無線端末の位置情報が登録されることにより該無線端末の位置を認識し、
   前記認識した位置により、前記２以上の無線端末のうち、該基地局に接続されている無線端末と、該接続されている無線端末と無線通信を行っている他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在していると推定したら、それぞれの無線端末の位置情報を該基地局に送信させ、
   前記送信された位置情報により、前記接続されている無線端末と、前記他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在すると判断したら、該他の無線端末のタイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させて、前記接続されている無線端末と該他の無線端末とを直接通信させ、
   前記基地局に接続されている無線端末は、ＭＵ−ＭＩＭＯの少なくとも１つのストリームを用いて前記他の無線端末との直接通信を行いながら、他のストリームを用いて前記基地局と接続状態を維持することを特徴とする無線通信システム。
2. 前記基地局に接続されている無線端末は、前記他の無線端末と直接通信を行っている間、該他の無線端末のデータ通信のリピーターとして動作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. 前記基地局は、前記基地局に接続されている無線端末および前記他の無線端末が直接通信に使用している周波数帯と同じ周波数帯を用いて、前記２台の無線端末よりも該基地局に近い位置にある第３の無線端末と小電力で通信を行うことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の無線通信システム。
4. ＭＵ−ＭＩＭＯによって無線通信可能な基地局および２以上の無線端末の無線通信方法であって、
   前記基地局は、
   前記無線端末の位置情報が登録されることにより該無線端末の位置を認識するステップと、
   前記認識した位置により、前記２以上の無線端末のうち、該基地局に接続されている無線端末と、該接続されている無線端末と無線通信を行っている他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在していると推定したら、それぞれの無線端末の位置情報を該基地局に送信させるステップと、
   前記送信された位置情報により、前記接続されている無線端末と、前記他の無線端末とが直接通信が可能な範囲に存在すると判断したら、該他の無線端末のタイムスロットのＵＬとＤＬとを逆転させて、前記接続されている無線端末と該他の無線端末とを直接通信させるステップと、
   を含む無線通信方法。
   
   
   
   
   

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