JP2016167776A - ビーム制御方法、基地局及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】無線端末との通信に使用するビーム数を低減可能にする。
【解決手段】ビーム制御方法は、複数の無線端末と基地局との間の伝送路の通信品質を推定するステップＳ１２、Ｓ１６と、通信品質が所定レベル以下の第１無線端末がビームを受信するために必要な第１ビームウェイトを、第１無線端末に関連付けて決定する第１決定ステップＳ１４と、通信品質が所定レベルより高い第２無線端末が、第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いて生成される第１ビームを受信できるか否かを判定する判定ステップＳ１７と、第１ビームを受信できない第２無線端末がビームを受信するために必要な第２ビームウェイトを、第２無線端末に関連付けて決定する第２決定ステップＳ１９と、第１ビームウェイト及び第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択ステップＳ２１と、を有する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、基地局が送信するビームを制御する方法、当該ビームを送信する基地局、及び当該基地局と無線端末とを含む通信システムに関する。

従来、複数のアンテナを有する基地局が、複数のアンテナの夫々から送信する送信信号の振幅及び位相を調整することにより、無線端末に送信するビームの指向性を制御する方法が知られている。特許文献１には、基地局と通信可能な全ての無線端末から報告される信号対干渉雑音比に基づいて、無線端末との通信に用いるビームの数を決定する方法が開示されている。

特開２００７−３３６５４７号公報

従来の方法においては、予め定められた特性の複数のビームを無線端末に送信した結果に基づいて、信号対干渉雑音比が大きくなるビームを優先的に選択した上で、システム容量が最大になるビームの数を決定していた。この技術で用いられる目的関数はシステム容量であり、弱電界の無線端末に対して通信できる環境を確保することは意図されていない。

弱電界の無線端末に対して通信できる環境を確保する方法として、端末に向けて、またはランダムに指向性を向ける従来技術がある。指向性及び電波強度が強いビームを用いることにより、個々の無線端末と通信する間の通信品質は向上する。ところが、指向性及び電波強度が強い複数のビームを順次切り替えながら個々の無線端末と通信する場合、指向性及び電波強度が弱いビームを用いて多くの無線端末と同時に通信する場合に比べて、無線端末の通信機会が減ってしまう。その結果、システム全体のスループットが低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、無線端末との通信に使用するビーム数を低減可能にすることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、複数のアンテナを用いて基地局から複数の無線端末に送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御するビーム制御方法であって、前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定するステップと、前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定ステップと、前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いて生成される第１ビームを受信できるか否かを判定する判定ステップと、前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定ステップと、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択ステップと、を有するビーム制御方法を提供する。

前記選択ステップは、例えば、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトの夫々に対応する前記ビームを前記複数の無線端末が受信した際の通信品質を特定するステップと、前記複数の無線端末の全てが、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトの少なくともいずれかの前記ビームを前記所定のレベル以上の通信品質で受信できるように、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択するステップと、を有する。

前記選択ステップは、前記複数のビームウェイトの一部を含む複数の組み合わせを生成するステップと、前記複数のビームウェイトの夫々を用いて生成された前記ビームを受信した前記複数の無線端末の複数の通信品質を特定するステップと、前記複数の通信品質の和を算出した結果に基づいて、前記複数の組み合わせから一の組み合わせを選択するステップと、を有してもよい。

前記一の組み合わせを選択するステップにおいて、前記複数の無線端末のうち、通信レートが所定の閾値以下の種別の無線端末における前記通信品質を除外して、前記複数の通信品質の和を算出してもよい。

上記のビーム制御方法は、前記複数のビームウェイトを用いて生成される複数の前記ビームを、時分割多重化又は周波数多重化することにより送信するステップをさらに有してもよい。

前記一の組み合わせを選択するステップにおいて、前記複数の無線端末が通信可能な機会の多さを前記通信品質として用いてもよい。また、前記複数の組み合わせを生成するステップにおいて、前記複数のビームウェイトの夫々に異なる重み付けをすることにより、前記複数の組み合わせを生成してもよい。このとき、前記複数のビームウェイトの夫々に対して与えた重み付けの比率と同一の比率で、前記時分割多重化又は周波数多重化において夫々のビームウェイトに割り当てるリソースの比率を決定してもよい。

前記第２決定ステップは、前記一以上の第２無線端末の夫々が、所定の強度の前記ビームを受信するために必要な暫定的なビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けて決定するステップと、前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けられた一以上の前記暫定的なビームウェイトを平均することにより前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップと、を有してもよい。

前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップにおいて、前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けられた一以上の前記暫定的なビームウェイトの一方に位相回転を与えた後に他方と平均することにより、前記一以上の第２ビームウェイトを決定してもよい。

前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップにおいて、前記一以上の第２無線端末の各々と前記基地局との間のチャネル情報を用いて、前記第２無線端末の通信品質が所定のレベル以上になるように、前記基地局で用いる第２ビームウェイトを探索することにより、前記一以上の第２ビームウェイトを決定してもよい。探索においては、第２無線端末の一つに対して最適なビームウェイトを求めた後で、他の第２無線端末の通信品質が規定値以上になるように、ビームウェイトの一部を位相回転させて探索を行ってもよい。また、一般的に用いられる探索方法を用いてもよい。

前記第２決定ステップは、前記一以上の第２無線端末が送信する電波の到来方向を推定するステップと、前記到来方向に基づいて、前記一以上の第２ビームウェイトを決定と、を有してもよい。

本発明の第２の態様においては、複数のアンテナを用いて複数の無線端末に送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御可能な基地局であって、前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定する推定部と、前記推定部が推定した前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定部と、前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いた第１ビームを受信できるか否かを判定する判定部と、前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定部と、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択部と、を有する基地局を提供する。

本発明の第３の態様においては、複数の無線端末と、前記複数の無線端末に複数のアンテナを用いて送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御可能な基地局と、を備える通信システムであって、前記基地局は、前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定する推定部と、前記推定部が推定した前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定部と、前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いた第１ビームを受信できるか否かを判定する判定部と、前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定部と、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択部と、を有し、前記複数の無線端末は、前記基地局から前記ビームを受信する無線端末受信部と、前記無線端末受信部が前記ビームを受信したことに応じて、前記無線端末受信部が受信した前記ビームに含まれる信号の振幅及び位相に関する情報を含む応答信号を送信する無線端末送信部と、を有する通信システムを提供する。

本発明によれば、無線端末との通信に使用するビーム数を低減できるという効果を奏する。

通信システムの概要を説明するための図である。 基地局の構成を示すブロック図である。 送受信部の構成を示す図である。 記憶部に記憶された複数のビームウェイトと各無線端末のＳＮ比との関係を示す表である。 無線端末の配置例を示す図である。 記憶部に記憶されたビームウェイトＷａ、Ｗｂ、Ｗｃと各無線端末のＳＮ比との関係を示す表である。 無線端末とビームウェイトＷａ、Ｗｂ、Ｗｃに基づくビームが届く範囲との関係を模式的に示す図である。 記憶部に記憶されたビームウェイトＷａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅと各無線端末のＳＮ比との関係を示す表である。 無線端末とビームウェイトＷａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅに基づくビームが届く範囲との関係を模式的に示す図である。 基地局におけるビーム制御処理のフローチャートである。

［基地局１の概要］
初めに、図１を参照して本発明の通信システムＳの概要を説明する。通信システムＳは、基地局１と、複数の無線端末２（図１においては、ＵＥ１〜ＵＥ４）を含んで構成されている。基地局１は、指向性がある電波であるビームを送信する。基地局１は、複数のアンテナを備え、複数のアンテナから送信する信号の振幅及び位相を定めるビームウェイトを制御することにより、送信するビームの指向性を制御する。

図１（ａ）は、基地局１が、４つの無線端末２の夫々に適した４つのビームを用いる場合を示している。この場合、基地局１は、例えば、４つのビームを時分割多重チャネル又は周波数分割多重チャネルを用いて送信することにより、４つの無線端末２と通信する。したがって、夫々の無線端末２の通信機会は、１台の無線端末２のみが基地局１と通信する場合の１／４となる。なお、図１（ａ）における破線で囲まれた領域は、ビームが届く領域であり、無線端末２のアンテナの先端が破線で囲まれた領域に含まれている場合に、無線端末２にビームが届くものとする。

図１（ｂ）は、基地局１が、指向性が比較的弱く、図１（ｂ）における斜線で示す領域に含まれる３つの無線端末２（ＵＥ１、ＵＥ２、ＵＥ３）の全てが受信可能なビームを用いる場合を示している。この場合、基地局１は、基地局１に比較的近い３つの無線端末２との通信に用いるビームＢ１と、基地局１から比較的遠い無線端末２（ＵＥ４）との通信に用いるビームＢ２とを順次切り替えることにより、４つの無線端末２と通信する。したがって、夫々の無線端末２の通信機会は、１台の無線端末２のみが基地局１と通信する場合の１／２となり、図１（ａ）に示す場合の通信機会の２倍になる。

このように、基地局１は、基地局１と無線端末２との間の距離及び障害物の有無等によって定まる伝送路の伝搬損失又はＳＮ比等の通信品質に基づいて、１つのビームを共用できる複数の無線端末２に対しては、専用のビームを用いないようにすることで、通信可能な全ての無線端末２と通信するために必要なビームの数を減らすように制御することができる。
以下、基地局１の構成と動作の詳細について説明する。

［基地局１の構成及び動作］
図２は、本発明の基地局１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、基地局１は、送受信部１１と、記憶部１２と、制御部１３と、を含んで構成され、送受信部１１から送信される信号の振幅及び位相を調整することで、送信する電波の送信パターンを制御する。なお、基地局１の通信方式はどのような通信方式でもよく、無線端末２との間の多重方式は、時分割多重（ＴＤＤ：Time-Division-Duplex）であってもよく、周波数分割多重（ＦＤＤ：Frequency-Division-Duplex）であってもよい。

送受信部１１は、送信又は受信する電波の指向性を制御可能なアンテナを含んでおり、特定の方向に対して、電波の放射を集中させたり、受信感度を高めたりすることができる。図３は、送受信部１１の構成を示す図である。図３に示す例は一例に過ぎず、その他の構成により指向性を制御可能にすることとしてもよい。

図３に示すように、送受信部１１は、例えば、変調部１１１と、信号発生部１１２と、複数のアンテナ素子１１３とを含んで構成される。変調部１１１は、予め定められた変調方式を用いて、入力された送信用のデータを変調して高周波信号を生成し、信号発生部１１２に供給する。

信号発生部１１２は、送信するビームの指向性に応じて選択される、夫々のアンテナ素子１１３に対応するウェイト値を、変調部１１１から入力された高周波信号に乗算することで、夫々のアンテナ素子１１３に対応する振幅及び位相に調整された信号を発生する。信号発生部１１２は、発生した高周波信号をアンテナ素子１１３に出力し、アンテナ素子１１３から高周波信号を放射させる。

このように、信号発生部１１２が、各アンテナ素子１１３から放射される高周波信号のウェイト値を調整することで、送受信部１１では、送信アンテナの指向性を制御することができる。なお、送信アンテナと受信アンテナとでは、少なくとも、送信アンテナの利得が大きい方向（即ち、無線端末２に対して電波を放射している方向）において受信アンテナの利得が大きければよく、両アンテナの指向性パターンは異なることとしてもよい。

図２に戻り、記憶部１２は、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリ又はハードディスク等の記憶媒体である。記憶部１２は、制御部１３を動作させるためのプログラム及び制御部１３が動作する際に生成されるデータを記憶する。また、記憶部１２は、送受信部１１が使用するビームウェイトを記憶する。ビームウェイトは、送受信部１１が有する複数のアンテナ素子１１３の夫々に対応するウェイト値から構成される。

制御部１３は、例えばＣＰＵであり、記憶部１２に記憶されたプログラムを実行することにより、ウェイト制御部１３１、探索部１３２、推定部１３３、第１決定部１３４、判定部１３５、第２決定部１３６及び選択部１３７として機能する。

ウェイト制御部１３１は、記憶部１２から読み出したビームウェイトを送受信部１１に設定することにより、ビームの指向性を制御する。具体的には、ウェイト制御部１３１は、記憶部１２に記憶されているビームウェイトを読み出して、読み出したビームウェイトに含まれているウェイト値を複数のアンテナ素子の夫々に設定することにより、夫々のアンテナ素子から送信される高周波信号の振幅及び位相を調整して、ビームの指向性を制御する。

探索部１３２は、無線端末２を探索する。具体的には、探索部１３２は、所定の振幅及び位相に設定されたパイロット信号を含む探索用ビームを複数の方向に送信し、探索用ビームを受信した複数の無線端末２から応答信号を受信することにより、複数の無線端末２を探索する。探索部１３２は、例えば、記憶部１２に記憶された探索用のビームウェイトを取得し、ウェイト制御部１３１を介して、所定の時間ごとにビームウェイトを切り替えることにより、３６０°の方向に、パイロット信号を含む探索用ビームを送信する。探索部１３２は、パイロット信号に対する応答信号を受信した無線端末２の識別情報を、応答信号に含まれるチャネル情報に関連付けて記憶部１２に記憶させる。ここで、チャネル情報は、無線端末２が受信したパイロット信号の振幅及び位相に関する情報である。

なお、探索部１３２は、無線端末２の位置に基づいて、夫々の無線端末２が受信可能な方向に探索用ビームを送信する時間の長さを決定してもよい。例えば、探索部１３２は、基地局１から遠い位置にある無線端末２に対して、基地局１から近い位置にある無線端末２に対するよりも長い時間にわたって探索用ビームを送信することで、推定部１３３が伝送路の通信品質を正しく推定できるようにする。

推定部１３３は、応答信号に基づいて、複数の無線端末の夫々と基地局１との間の伝送路の通信品質を推定する。推定部１３３は、例えば、無線端末２が送信する応答信号に含まれているチャネル情報に基づいて、基地局１と無線端末２との間の伝送路の伝達関数を示すチャネル行列を算出する。推定部１３３は、応答信号を用いる代わりに、振幅及び位相が既知の所定の信号を無線端末２から受信することにより、チャネル行列を算出してもよい。

続いて、推定部１３３は、算出したチャネル行列に基づいて、基地局１と無線端末２との間の伝送路の伝搬損失を推定する。推定部１３３は、推定した伝搬損失に基づいて、複数の無線端末２を複数のグループに分類する。具体的には、推定部１３３は、推定した伝搬損失が所定の閾値よりも大きい無線端末２を、通信品質が所定のレベル以下の無線端末２（以下、第１無線端末２ａという）として特定する。また、推定部１３３は、推定した伝搬損失が所定の閾値よりも小さい一以上の無線端末２を、通信品質が所定のレベルより高い無線端末２（以下、第２無線端末２ｂという）として特定する。

第１決定部１３４は、推定した伝搬損失が大きい順に、第１無線端末２ａがビームを受信するために必要な第１ビームウェイトを、夫々の第１無線端末２ａに関連付けて決定し、決定した第１ビームウェイトを第１無線端末２ａに関連付けて記憶部１２に記憶させる。また、第１決定部１３４は、第１無線端末２ａが第１ビームウェイトを用いて送信されたビームを受信した場合のＳＮ比の推定値を算出して、算出した推定値を記憶部１２に記憶させる。第１決定部１３４は、例えば、推定部１３３が推定した伝搬損失に基づいて、第１無線端末２ａが受信するビームの受信電力を推定することにより、ＳＮ比の推定値を算出する。

第１決定部１３４は、複数のアンテナ素子から送信される高周波信号の夫々の位相を同一の位相にすることにより、第１無線端末２ａが基地局１から受信するビームの通信品質が所定のレベルより大きくなるような第１ビームウェイトを決定する。ここで、第１決定部１３４は、例えば、チャネル行列における夫々のアンテナ素子に対応するチャネル係数に比例するように、夫々のアンテナ素子から送信される高周波信号の振幅を設定してもよい。このようにすることで、ＳＮ比を増大させることができる。なお、第１決定部１３４は、全てのアンテナ素子から送信される高周波信号の振幅を１に設定してもよい。

判定部１３５は、通信品質が所定のレベルより高い第２無線端末２ｂ（例えば、第１無線端末２ａよりも基地局１に近い無線端末２）が、第１決定部１３４が決定した一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いて送信されたビームを受信できるか否かを判定する。具体的には、判定部１３５は、第２無線端末２ｂが、第１ビームを受信した場合の通信品質（例えば、受信電力の推定値又はＳＮ比）が所定のレベルより大きいか否かを判定する。判定部１３５は、通信品質が所定のレベルより大きくなると判定した第２無線端末２ｂに関連付けて、第１ビームウェイトを用いて送信されたビームを受信できる旨を記憶部１２に記憶させる。また、判定部１３５は、第２無線端末２ｂが第１ビームウェイトを用いて送信されたビームを受信した場合のＳＮ比の推定値を算出して、算出した推定値を記憶部１２に記憶させる。

第２決定部１３６は、第１ビームウェイトを用いて送信されたビームを受信できない一以上の第２無線端末２ｂがビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、一以上の第２無線端末２ｂの夫々に関連付けて決定する。第２決定部１３６は、決定した第２ビームウェイトを第２無線端末２ｂに関連付けて記憶部１２に記憶させる。

ここで、第２無線端末２ｂは、例えば、第１無線端末２ａよりも基地局１に近いと考えられ、第２無線端末２ｂに専用の指向性を有するビームを用いず、複数の第２無線端末２ｂが受信可能な指向性を有するビームであっても受信できる可能性がある。そこで、第２決定部１３６は、複数の第２無線端末２ｂが受信できるビームを生成可能な第２ビームウェイトを算出する。

第２決定部１３６は、一以上の第２無線端末２ｂの各々と基地局１との間のチャネル情報を用いて、第２無線端末２ｂの通信品質が所定のレベル以上になるように、基地局１の信号発生部１１２における乗算に用いる第２ビームウェイトの探索をすることにより、一以上の第２ビームウェイトを決定してもよい。第２決定部１３６は、探索においては、第２無線端末２ｂの一つに対して最適なビームウェイトを求めた後で、他の第２無線端末２ｂの通信品質が規定値以上になるように、ビームウェイトの一部を位相回転させて探索を行ってもよい。また、第２決定部１３６は、その他の一般的に用いられる探索方法を用いてもよい。

第２決定部１３６は、第２無線端末２ｂが第２ビームウェイトを用いて送信されたビームを受信した場合のＳＮ比の推定値を算出して、算出した推定値を記憶部１２に記憶させる。第２ビームウェイトの算出方法の詳細については、後述する。

選択部１３７は、記憶部１２に記憶された一以上の第１ビームウェイト及び一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する。具体的には、選択部１３７は、複数の無線端末２の全てが、少なくともいずれかのビームを所定のレベル以上の通信品質で受信できるように、記憶部１２に記憶された第１ビームウェイト及び第２ビームウェイトから、複数のビームウェイトを選択する。また、選択部１３７は、第１ビームウェイト及び第２ビームウェイトの夫々に対応するビームを複数の無線端末２が受信した際の通信品質を特定する。

例えば、選択部１３７は、記憶部１２に記憶された、夫々の無線端末２が夫々のビームウェイトを用いて送信されたビームを受信した際のＳＮ比の推定値により、通信品質を特定する。選択部１３７は、特定した通信品質に基づいて、複数の第１ビームウェイト及び第２ビームウェイトの中から、使用可能なビームウェイトの組み合わせを特定する。選択部１３７は、特定した組み合わせに含まれる複数のビームウェイトを用いて生成された複数のビームを送信することにより、全ての無線端末２が、複数のビームのいずれかを受信した際のＳＮ比の推定値が０ｄＢ以上となるように、複数のビームウェイトの組み合わせを特定する。送受信部１１は、選択部１３７が選択した複数のビームウェイトを用いて生成されたビームを時分割多重又は周波数分割多重のいずれかにより、全ての無線端末２が受信できるように送信する。

図４は、記憶部１２に記憶された複数のビームウェイトと各無線端末２のＳＮ比との関係を示す表である。図５は、図４に示す表に対応する無線端末２の配置例を示す図である。図４及び図５におけるＵＥ１は、第１無線端末２ａである。ＵＥ２〜ＵＥ７は、第２無線端末２ｂである。

図４における「第１チェック」欄における○印は、第１無線端末２ａであることを示している。「第２チェック」欄における○印は、夫々の無線端末２が、いずれかのビームウェイトにより通信可能になっていることを示している。

図４におけるＷａ〜Ｗｅは、ビームウェイトを示している。図５におけるＷａ〜Ｗｅが付された破線は、夫々のビームウェイトに対応するビームが届く範囲を示している。Ｗａは、第１決定部１３４により決定された、ＵＥ１がビームを受信するために必要な第１ビームウェイトであり、ビームウェイトＷａを用いて送信されたビームをＵＥ１が受信した場合のＳＮ比は３ｄＢである。ビームウェイトＷａを用いて送信されたビームをＵＥ２〜ＵＥ７が受信した場合のＳＮ比は０ｄＢ未満であるので、×印が付されている。

Ｗｂ〜Ｗｅは、第２決定部１３６により決定された、複数の第２無線端末２ｂがビームを受信するために必要な第２ビームウェイトである。Ｗｂを用いて送信されたビームは、ＵＥ２、ＵＥ５及びＵＥ７が受信することができる。Ｗｃを用いて送信されたビームは、ＵＥ３、ＵＥ４及びＵＥ６が受信することができる。Ｗｄを用いて送信されたビームは、ＵＥ２、ＵＥ４、ＵＥ６及びＵＥ７が受信することができる。Ｗｅを用いて送信されたビームは、ＵＥ５及びＵＥ７が受信することができる。

Ｗａ〜Ｗｅのうち、以下のビームウェイトを組み合わせた場合に、ＵＥ１〜ＵＥ７の全ての無線端末２が、いずれかのビームを受信することが可能になる。
（１）Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃ
（２）Ｗａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅ

選択部１３７は、このように、全端末がビームを受信するための組み合わせが複数ある場合、複数のビームウェイトの一部を含む複数の組み合わせを生成する。具体的には、選択部１３７は、複数のビームウェイトの夫々を用いて生成されたビームを受信した複数の無線端末２の夫々の通信品質（例えばＳＮ比又はスループット）を特定し、夫々の通信品質の和を算出した結果に基づいて、複数の組み合わせから一の組み合わせを選択する。

図６は、記憶部１２に記憶されたビームウェイトＷａ、Ｗｂ、Ｗｃと各無線端末２のＳＮ比との関係を示す表である。図７は、無線端末２とビームウェイトＷａ、Ｗｂ、Ｗｃに基づくビームが届く範囲との関係を模式的に示す図である。図７に示すように、ＵＥ１は基地局１から最も離れており、ＵＥ１に専用のビームウェイトＷａに対応するビームを受信する。ＵＥ２、ＵＥ５、ＵＥ７は、ビームウェイトＷｂに対応するビームを受信し、ＵＥ３、ＵＥ４、ＵＥ６は、ビームウェイトＷｃに対応するビームを受信する。この場合、図６に示すように、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの組み合わせにおいて、ＵＥ１のＳＮ比は３ｄＢ、ＵＥ２のＳＮ比は５ｄＢ、ＵＥ３のＳＮ比は５ｄＢ、ＵＥ４のＳＮ比は７ｄＢ、ＵＥ５のＳＮ比は３ｄＢ、ＵＥ６のＳＮ比は２ｄＢ、ＵＥ７のＳＮ比は３ｄＢであり、ＳＮ比の和は２８ｄＢである。

図８は、記憶部１２に記憶されたビームウェイトＷａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅと各無線端末２のＳＮ比との関係を示す表である。図９は、無線端末２とビームウェイトＷａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅに基づくビームが届く範囲との関係を模式的に示す図である。図９において、ＵＥ３、ＵＥ４、ＵＥ６は、ビームウェイトＷｃに対応するビームを受信し、ＵＥ２、ＵＥ４、ＵＥ６、ＵＥ７は、ビームウェイトＷｄに対応するビームを受信し、ＵＥ５及びＵＥ７は、ビームウェイトＷｅに対応するビームを受信する。この場合、図８に示すように、Ｗａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの組み合わせにおいて、ＵＥ１のＳＮ比は３ｄＢ、ＵＥ２のＳＮ比は３ｄＢ、ＵＥ３のＳＮ比は５ｄＢ、ＵＥ４のＳＮ比は７ｄＢ、ＵＥ５のＳＮ比は２ｄＢ、ＵＥ６のＳＮ比は７ｄＢ、ＵＥ７のＳＮ比は４ｄＢであり、ＳＮ比の和は３１ｄＢである。

以上のように、図４〜図９に示す例の場合、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの組み合わせを使用する場合のＳＮ比の和は２８ｄＢであり、Ｗａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの組み合わせを使用する場合のＳＮ比の和は３１ｄＢである。したがって、選択部１３７は、ＳＮ比の和が大きいＷａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの組み合わせを選択する。

なお、以上のＳＮ比の和の算出においては、単一の無線端末２がビームを受信可能な複数のビームウェイトがある場合、最大のＳＮ比を得られるビームウェイトにおけるＳＮ比を和の算出に用いたが、ビームを受信可能な複数のビームウェイトにおけるＳＮ比を和の算出に用いてもよい。

また、選択部１３７は、夫々のビームウェイトの組み合わせにおけるＳＮ比の和を算出する際に、夫々の無線端末２に対応するＳＮ比の最大値に上限を設けてもよい。例えば、ＵＥ１のＳＮ比の推定値が４０ｄＢ等の高い値になった場合であっても、実際の通信速度は変調符号化の値によって定まり、ＳＮ比が４０ｄＢの場合の通信速度が、ＳＮ比が３０ｄＢの場合の通信速度と同一であることが考えられる。このような場合、選択部１３７は、ＳＮ比の和の算出に用いるＳＮ比が３０ｄＢを超えている場合に、ＳＮ比が３０ｄＢであるものとしてＳＮ比の和を算出する。
また、選択部１３７は、ＳＮ比ではなくスループットの推定値を判定基準として用いてもよい。スループットの推定値は、ＳＮ比と１対１で対応するものとして、関数又は参照テーブルとして記憶部１２が保持することができる。

選択部１３７は、複数の組み合わせから一つの組み合わせを選択する場合に、複数の無線端末２のうち、通信レートが所定の閾値以下の種別の無線端末２における通信品質を除外して、複数の通信品質の和を算出してもよい。例えば、無線端末２の中に、センサモジュールのように、必要とされる通信レートが低く、大きなＳＮ比が不要な端末が含まれている場合、複数のＳＮ比の和を算出する際に、そのような種別の無線端末２に対応するＳＮ比を和に含めなくてもよい。

選択部１３７は、複数の組み合わせから一つの組み合わせを選択する場合に、複数の無線端末２が通信可能な機会の多さを通信品質として用いてもよい。ビームウェイトの組み合わせに含まれるビームウェイトの数が増えると、ビームウェイトが１つの場合に比べて、各無線端末２が通信できる機会（時間又は周波数幅）が減少する。そこで、組み合わせに含まれるビームウェイトの数でＳＮ比の和を割った値に基づいて、ビームウェイトの組み合わせを選択してもよい。

図４に示した上記の例の場合、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの３つのビームウェイトの組み合わせを使用する場合のＳＮ比の和は２８ｄＢであり、１つのビームウェイトあたりのＳＮ比は、２８÷３＝９．３３である。他方、Ｗａ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの４つの組み合わせを使用する場合のＳＮ比の和は３１ｄＢであり、１つのビームウェイトあたりのＳＮ比は、３１÷４＝７．７５である。したがって、選択部１３７は、無線端末２の通信機会を増やすことを優先する場合、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの組み合わせを選択する。

選択部１３７は、複数のビームウェイトの夫々に異なる重み付けをすることにより、複数の組み合わせを生成してもよい。この場合、選択部１３７は、複数のビームウェイトの夫々に対して与えた重み付けの比率と同一の比率で、時分割多重化又は周波数多重化において夫々のビームウェイトに割り当てるリソースの比率を決定する。例えば、選択部１３７は、夫々の組み合わせにおける各ビームウェイトの使用頻度に基づいて重み付けすることによりＳＮ比の和を算出し、算出した和が最大になる組み合わせを選択してもよい。例えば、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの３つのビームウェイトの組み合わせにおいて、Ｗａ、Ｗｂ、Ｗｃの使用比率（例えば、時間又は周波数の割り当て比率）を、夫々αａ、αｂ、αｃとする。各ビームウェイトでのＳＮ比の和をＳａ、Ｓｂ、Ｓｃとした場合、選択部１３７は、αａ・Ｓａ＋αｂ・Ｓｂ＋αｃ・Ｓｃが最大になるビームウェイトの組み合わせを選択する。

［第２ビームウェイトの算出方法］
第２決定部１３６は、複数の第２無線端末２ｂが受信可能なビームウェイトを、例えば、以下の方法１又は方法２により算出することができる。

（方法１）
第２無線端末２ｂのＳＮ比が、ビームを受信できる最低レベルから３ｄＢ以内である場合、第２決定部１３６は、そのような第２無線端末２ｂに専用のビームウェイトを算出し、当該ビームウェイトを第２ビームウェイトに決定する。

第２無線端末２ｂのＳＮ比が、ビームを受信できる最低レベルから３ｄＢ〜４．７ｄＢの範囲内である場合、第２決定部１３６は、そのような第２無線端末２ｂから第２無線端末２ｂを２台ずつ選択し、夫々に対して最適なビームウェイトを暫定的に算出する。第２決定部１３６は、算出した２つの暫定的なビームウェイトの平均値を算出することにより、２台の第２無線端末２ｂが受信可能なビームの生成が可能なビームウェイトを、第２ビームウェイトに決定する。決定された第２ビームウェイトは、２つのビームウェイトの平均値であるので、２台の第２無線端末２ｂにおける受信電力は約３ｄＢ低下する。しかし、２台の第２無線端末２ｂのＳＮ比は、ビームを受信できる最低レベルから３ｄＢ〜４．７ｄＢの範囲内なので、２台の第２無線端末２ｂは、この第２ビームウェイトを用いて生成されたビームを受信することができる。

ＳＮ比が、ビームを受信できる最低レベルから３ｄＢ〜４．７ｄＢの範囲内に入っている第２無線端末２ｂがｎ台ある場合、ｎ（ｎ−１）／２の組み合わせがある。第２決定部１３６は、夫々の組み合わせに対して、第２ビームウェイトを算出する。

第２無線端末２ｂのＳＮ比が、ビームを受信できる最低レベルから４．７ｄＢ〜６．０ｄＢの範囲内である場合、第２決定部１３６は、そのような第２無線端末２ｂから３台の第２無線端末２ｂを選択し、夫々に対する最適なビームウェイトを暫定的に算出する。第２決定部１３６は、算出した３つの暫定的なビームウェイトの平均値を算出することにより、３台の第２無線端末２ｂが受信可能なビームの生成が可能なビームウェイトを、第２ビームウェイトに決定する。

暫定的なビームウェイトの平均値を算出するにあたっては、一以上の第２無線端末２ｂの夫々に関連付けられた一以上の暫定的なビームウェイトの一方に位相回転を与えた後に他方と平均することにより、一以上の第２ビームウェイトを決定してもよい。具体的には、ウェイトの行列Ｗ_１＝［ｗ_１ａ，ｗ_１ｂ，ｗ_１ｃ，ｗ_１ｄ］とＷ_２＝［ｗ_２ａ，ｗ_２ｂ，ｗ_２ｃ，ｗ_２ｄ］とを平均する場合に、ウェイトは、Ｗ_１＋２＝［（ｗ_１ａ ^＊ｅ^ｊθ＋ｗ_２ａ）／２，（ｗ_１ｂ ^＊ｅ^ｊθ＋ｗ_２ｂ）／２，（ｗ_１ｃ ^＊ｅ^ｊθ＋ｗ_２ｃ）／２，（ｗ_１ｄ ^＊ｅ^ｊθ＋ｗ_２ｄ）／２］となり、θが位相回転量である。単純平均する際はθ=０となる。

Ｗ_１とＷ_２との間の位相関係によっては、単純平均した際に、無線端末２の場所で逆位相になり信号を弱めあう可能性がある。それを防止するために、位相差を変えることが好適である。位相差の与え方については、例えば１０°ステップで０°から３６０°までのパターンを候補として作成してもよい。第２決定部１３６は、複数の無線端末２の通信品質が良好になる位相回転量を選択する。なお、第２決定部１３６は、無線端末２との間の通信路のチャネル情報に基づいて、無線端末２の受信電力が最大となるθを直接計算してもよい。

（方法２）
第２決定部１３６は、第２無線端末２ｂが送信する電波の到来方向を推定し、推定した到来方向に基づいて、第２ビームウェイトを決定する。具体的には、第２決定部１３６は、公知の方向拘束付電力最小化（ＤＣＭＰ：Directionally Constrained Minimization of Power）アダプティブアレーの手法を用いることができる。

［基地局１が実行するビーム制御方法］
図１０は、基地局１におけるビーム制御処理のフローチャートである。以下、図１０を参照して、基地局１におけるビーム制御処理の手順について説明する。

まず、探索部１３２は、複数の方向に所定の指向性を有するビームを順次送信することにより無線端末２を探索し、無線端末２からの応答信号を受信する（Ｓ１１）。推定部１３３は、受信した応答信号に基づいて、基地局１と無線端末２との間の伝送路の通信品質を推定する（Ｓ１２）。

続いて、第１決定部１３４は、Ｓ１２において推定した通信品質が所定のレベル以下の第１無線端末２ａを特定し、記憶部１２に記憶されている第１無線端末２ａの識別情報に関連付けて第１チェックフラグを付与する（Ｓ１３）。第１決定部１３４は、第１チェックフラグを付与した第１無線端末２ａの夫々に対して、第１無線端末２ａがビームを受信するために必要な第１ビームウェイトを決定する（Ｓ１４）。第１決定部１３４は、第１ビームウェイトを決定すると、第１ビームウェイトを用いて生成されたビームを受信できる第１無線端末２ａの識別情報に関連付けて第２チェックフラグを付与する（Ｓ１５）。

続いて、判定部１３５は、第１チェックフラグが付与されていない第２無線端末２ｂの夫々が、第１ビームウェイトを用いて生成されたビームを受信した場合の通信品質を推定する（Ｓ１６）。判定部１３５は、推定した通信品質が、所定のレベル以上であるか否かを判定する（Ｓ１７）。判定部１３５は、推定した通信品質が所定のレベル以上であり（Ｓ１７においてＹｅｓ）、第２無線端末２ｂが、第１ビームウェイトを用いて生成されたビームを受信できる場合、記憶部１２に記憶されている第２無線端末２ｂの識別情報に関連付けて第２チェックフラグを付与する（Ｓ１８）。判定部１３５は、推定した通信品質が所定のレベルより低い場合（Ｓ１７においてＮｏ）、Ｓ１８に進むことなくＳ１９に進む。

続いて、第２決定部１３６は、第２チェックフラグが付与されていない第２無線端末２ｂを抽出し、抽出した第２無線端末２ｂがビームを受信するための第２ビームウェイトを決定する（Ｓ１９）。以上の手順により決定された第１ビームウェイト及び第２ビームウェイトのうちのいずれかを用いることにより、全ての無線端末２は、ビームを受信できる。

続いて、選択部１３７は、決定された複数のビームウェイトのうち、どのビームウェイトを用いることが好ましいかを決定するために、夫々のビームウェイトを用いて生成されたビームを夫々の無線端末２が受信した場合の通信品質を推定する（Ｓ２０）。具体的には、選択部１３７は、夫々のビームウェイトを用いて生成されたビームを夫々の無線端末２が受信した場合のＳＮ比又はスループットを算出することにより、通信品質を推定する。選択部１３７は、推定した通信品質に基づいて、全ての無線端末２がビームを受信できるようにするためのビームウェイトを選択する（Ｓ２１）。

ここで、全ての無線端末２がビームを受信できるようにするためのビームウェイトの組み合わせが複数存在する場合（Ｓ２２においてＹｅｓ）、上述した各種の方法のいずれかを用いて、最適な組み合わせを選択する（Ｓ２３）。

なお、上記の説明では、Ｓ１９において、第２決定部１３６が、第２チェックフラグが付与されていない第２無線端末２ｂがビームを受信するための第２ビームウェイトを決定するものとしたが、第２決定部１３６は、第２チェックフラグが付与された第２無線端末２ｂに最適なビームウェイトをさらに決定してもよい。

［本実施形態における効果］
以上説明したように、本実施形態における基地局１は、まず、通信品質が低い第１無線端末２ａがビームを受信するために必要な第１ビームウェイトを決定し、その後、通信品質が第１無線端末２ａよりも高い第２無線端末２ｂが受信可能な第２ビームウェイトを決定する。その際、基地局１は、複数の第２無線端末２ｂがビームを受信できるためのビームウェイトを第２ビームウェイトとする。このようにすることで、例えば、基地局１に比較的近い第２無線端末２ｂに対しては、夫々の第２無線端末２ｂにおける受信電力が小さく抑えられた指向性の弱いビームウェイトを用いることで、複数の第２無線端末２ｂが１つの第２ビームウェイトを共用できる。したがって、使用するビームウェイトの数を少なくすることができるので、無線端末２の通信機会を増やすことができる。

また、基地局１は、全ての無線端末２がビームを受信可能になるビームウェイトの組み合わせが複数ある場合、通信品質に基づいて、最適な組み合わせを選択することができる。このようにすることで、基地局１は、ビームウェイトの数を少なくするとともに、良好な通信品質を確保することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。特に、装置の分散・統合の具体的な実施形態は以上に図示するものに限られず、その全部又は一部について、種々の付加等に応じて、又は、機能負荷に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

１ 基地局
２ 無線端末
１１ 送受信部
１２ 記憶部
１３ 制御部
１１１ 変調部
１１２ 信号発生部
１１３ アンテナ素子
１３１ ウェイト制御部
１３２ 探索部
１３３ 推定部
１３４ 第１決定部
１３５ 判定部
１３６ 第２決定部
１３７ 選択部
Ｓ 通信システム

Claims (14)

1. 複数のアンテナを用いて基地局から複数の無線端末に送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御するビーム制御方法であって、
   前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定するステップと、
   前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定ステップと、
   前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いて生成される第１ビームを受信できるか否かを判定する判定ステップと、
   前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定ステップと、
   前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択ステップと、
   を有するビーム制御方法。
2. 前記選択ステップは、
   前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトの夫々に対応する前記ビームを前記複数の無線端末が受信した際の通信品質を特定するステップと、
   前記複数の無線端末の全てが、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトの少なくともいずれかの前記ビームを前記所定のレベル以上の通信品質で受信できるように、前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択するステップと、
   を有する、
   請求項１に記載のビーム制御方法。
3. 前記選択ステップは、
   前記複数のビームウェイトの一部を含む複数の組み合わせを生成するステップと、
   前記複数のビームウェイトの夫々を用いて生成された前記ビームを受信した前記複数の無線端末の複数の通信品質を特定するステップと、
   前記複数の通信品質の和を算出した結果に基づいて、前記複数の組み合わせから一の組み合わせを選択するステップと、
   を有する請求項２に記載のビーム制御方法。
4. 前記一の組み合わせを選択するステップにおいて、前記複数の無線端末のうち、通信レートが所定の閾値以下の種別の無線端末における前記通信品質を除外して、前記複数の通信品質の和を算出する、
   請求項３に記載のビーム制御方法。
5. 前記複数のビームウェイトを用いて生成される複数の前記ビームを、時分割多重化又は周波数多重化することにより送信するステップをさらに有する、
   請求項３又は４に記載のビーム制御方法。
6. 前記一の組み合わせを選択するステップにおいて、前記複数の無線端末が通信可能な機会の多さを前記通信品質として用いる、
   請求項５に記載のビーム制御方法。
7. 前記複数の組み合わせを生成するステップにおいて、前記複数のビームウェイトの夫々に異なる重み付けをすることにより、前記複数の組み合わせを生成する、
   請求項５又は６に記載のビーム制御方法。
8. 前記複数のビームウェイトの夫々に対して与えた重み付けの比率と同一の比率で、前記時分割多重化又は周波数多重化において夫々のビームウェイトに割り当てるリソースの比率を決定する、
   請求項７に記載のビーム制御方法。
9. 前記第２決定ステップは、
   前記一以上の第２無線端末の夫々が、所定の強度の前記ビームを受信するために必要な暫定的なビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けて決定するステップと、
   前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けられた一以上の前記暫定的なビームウェイトを平均することにより前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップと、
   を有する、
   請求項１から８のいずれか１項に記載のビーム制御方法。
10. 前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップにおいて、前記一以上の第２無線端末の夫々に関連付けられた一以上の前記暫定的なビームウェイトの一方に位相回転を与えた後に他方と平均することにより、前記一以上の第２ビームウェイトを決定する、
    請求項９に記載のビーム制御方法。
11. 前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップにおいて、前記一以上の第２無線端末の各々と前記基地局との間のチャネル情報を用いて、前記第２無線端末の通信品質が所定のレベル以上になるように、前記基地局で用いる第２ビームウェイトを探索することにより、前記一以上の第２ビームウェイトを決定する、
    請求項９に記載のビーム制御方法。
12. 前記第２決定ステップは、
    前記一以上の第２無線端末が送信する電波の到来方向を推定するステップと、
    前記到来方向に基づいて、前記一以上の第２ビームウェイトを決定するステップと、
    を有する、
    請求項１から８のいずれか１項に記載のビーム制御方法。
13. 複数のアンテナを用いて複数の無線端末に送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御可能な基地局であって、
    前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定する推定部と、
    前記推定部が推定した前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定部と、
    前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いた第１ビームを受信できるか否かを判定する判定部と、
    前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定部と、
    前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択部と、
    を有する基地局。
14. 複数の無線端末と、前記複数の無線端末に複数のアンテナを用いて送信するビームの指向性を定めるビームウェイトを制御可能な基地局と、を備える通信システムであって、
    前記基地局は、
    前記複数の無線端末の夫々と前記基地局との間の伝送路の通信品質を推定する推定部と、
    前記推定部が推定した前記通信品質が所定のレベル以下の一以上の第１無線端末が前記ビームを受信するために必要な一以上の第１ビームウェイトを、前記一以上の第１無線端末の夫々に関連付けて決定する第１決定部と、
    前記通信品質が前記所定のレベルより高い無線端末が、前記一以上の第１ビームウェイトのいずれかのビームウェイトを用いた第１ビームを受信できるか否かを判定する判定部と、
    前記第１ビームを受信できない一以上の第２無線端末がビームを受信するために必要な一以上の第２ビームウェイトを、前記一以上の第２無線端末に関連付けて決定する第２決定部と、
    前記一以上の第１ビームウェイト及び前記一以上の第２ビームウェイトから複数のビームウェイトを選択する選択部と、
    を有し、
    前記複数の無線端末は、
    前記基地局から前記ビームを受信する無線端末受信部と、
    前記無線端末受信部が前記ビームを受信したことに応じて、前記無線端末受信部が受信した前記ビームに含まれる信号の振幅及び位相に関する情報を含む応答信号を送信する無線端末送信部と、
    を有する、通信システム。
    
    

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