JP6310813B2

JP6310813B2 - 通信システム、制御局及びリソース制御方法

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Publication number: JP6310813B2
Application number: JP2014169037A
Authority: JP
Inventors: 阪口　啓; 啓阪口; マハモドモハメドマハモドイハボ; 伸一宮本; 政一三瓶; 亨宗白方
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016046657A; US9788336B2; US20160056904A1

Description

本発明は、通信システム、制御局及びリソース制御方法に関する。

近年、トラヒック需要の急増に対して、１ＧＨｚ以上の帯域幅を確保するために、ミリ波帯を用いて通信を行う小型基地局が導入されている。例えば、マイクロ波帯を用いて通信を行う基地局の通信エリア内に複数の小型基地局を設けた通信システム（ヘテロジニアスネットワークと称されることもある）が想定されている。

かかる小型基地局では、ミリ波帯を用いるために電波の到達距離を延ばすことができず、伝搬損が格段に大きくなる。

このような伝搬損の克服、又は、通信速度の高速化及びセルエリアの拡大に寄与する一つの方式としては、基地局で複数のアンテナ素子（アンテナアレー）を用いて指向性制御（ビームフォーミング）を行う方式がある。指向性制御を行う方式では、基地局の送信する電波を、端末局の存在する方向に向けることによって、無指向性での送信を行った場合よりも遠距離の地点まで電波を到達させることができ、カバーするセルエリアを拡大することができる。また、端末局は、SINR（Signal to Interference-plus-Noise power Ratio）を改善することができるため、周波数利用効率の高い変調方式及び符号化率を適用することができるようになり、高い伝送速度で通信を行うことができる（例えば、非特許文献１を参照）。

ただし、初期接続が確立する前の段階では、基地局が端末局の存在する方向を判断する情報を持たないため、端末局の存在する方向だけに指向性を向けて信号を送信することはできない。

そこで、基地局がセルエリアとしたい範囲を指向性の幅に従って細かく分割し、分割した範囲それぞれに指向性が向けられるように逐次的に指向性を切り替えながら信号を送信する方法が提案されている。この方法によれば、逐次的な操作によってセルエリアとしたい範囲全体をカバーしつつ、指向性制御によってカバーエリアを広げることができる。

IEEE 802.15.3c-2009 Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between systems-Local and Metropolitan networks-Specific requirements-Part 15.3: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs): Millimeter-wave based Alternative Physical Layer Extension Amendment is ratified by Standards Board of IEEE.

しかしながら、指向性を切り替えて初期接続を行う場合、無指向性の場合に比べて、初期接続を確立するまでの時間が長くなってしまうという課題がある。

本発明の目的は、指向性を切り替えて初期接続を行う際に、初期接続が確立されるまでの時間を短縮することができる通信システム、制御局及びリソース制御方法を提供することである。

本発明の一態様に係る通信システムは、マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、前記マイクロ波基地局に接続された制御局と、を有する通信システムであって、前記端末局は、前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を推定し、前記信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成する信号品質推定部と、前記ミリ波信号品質情報、又は、データ通信を開始するための帯域予約要求を送信する無線通信部と、を具備し、前記マイクロ波基地局は、前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、及び、前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置を推定する位置推定部と、前記ミリ波信号品質情報と前記第１の位置、又は、前記帯域予約要求と前記第２の位置を前記制御局へ送信する通信部と、を具備し、前記制御局は、前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とを対応付けて格納するデータベースと、前記第２の位置をキーとして、前記データベースを参照して、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する制御部と、を具備する構成を採る。

本発明の一態様に係る制御局は、マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、を有する通信システムにおいて、前記マイクロ波基地局に接続された制御局であって、前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を示すミリ波信号品質情報と前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、又は、前記端末局がデータ通信を開始するための帯域予約要求と前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置、を受信する通信部と、前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とを対応付けて格納するデータベースと、前記第２の位置をキーとして、前記データベースを参照して、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する制御部と、を具備する構成を採る。

本発明の一態様に係るリソース制御方法は、マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、前記マイクロ波基地局に接続された制御局と、を有する通信システムにおいて、前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を推定し、前記信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成し、前記ミリ波信号品質情報、又は、前記端末局がデータ通信を開始するための帯域予約要求を送信し、前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、又は、前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置を推定し、前記ミリ波信号品質情報と前記第１の位置、又は、前記帯域予約要求と前記第２の位置を前記制御局へ送信し、前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とが対応付けて格納されたデータベースを参照して、前記第２の位置をキーとして、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する。

本発明によれば、指向性を切り替えて初期接続を行う際に、初期接続が確立されるまでの時間を短縮することができる。

実施の形態に係る通信システムを示す図実施の形態に係る通信システムの各装置の構成を示すブロック図実施の形態に係る通信システムの各装置の動作を示すシーケンス図実施の形態に係るチャネル測定期間における各装置の動作を示すシーケンス図実施の形態に係る端末の位置推定方法の一例を示す図実施の形態に係るデータベースの一例を示す図実施の形態に係るデータ通信期間における各装置の動作を示すシーケンス図本発明の実施の形態に係る干渉を考慮したリソース割当方法を示す図

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

（実施の形態）
＜通信システムの構成＞
まず、本実施の形態に係る通信システム１０の構成について、図１を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る通信システム１０は、制御局１００と、複数のマイクロ波基地局（マイクロ波アクセスポイント（ＡＰ））２００と、複数のミリ波基地局（ミリ波ＡＰ）３００と、複数の端末局（ＳＴＡ。又はＵＥと称することもある）４００と、を有する。

図１は、一例として、制御局１００と、２つのマイクロ波ＡＰ１，２と、マイクロ波ＡＰ１がカバーするマイクロ波通信エリア１内に存在する機器とを示す。具体的には、カバレッジが比較的大きいマイクロ波通信エリア１内では、ミリ波ＡＰ１及びミリ波ＡＰ２の各々によってカバレッジが比較的小さいミリ波通信エリア１及びミリ波通信エリア２がそれぞれ形成される。また、ミリ波通信エリア１内にはＳＴＡ１及びＳＴＡ２が存在し、ミリ波通信エリア２内にはＳＴＡ３及びＳＴＡ４が存在する。

制御局１００は、複数のマイクロ波基地局２００（図１では、マイクロ波ＡＰ１，２）と接続されている。制御局１００とマイクロ波基地局２００との接続は、無線接続でもよく、有線接続でもよく、例えば、Ethernet（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）、ＵＳＢ又は光通信などによる接続が挙げられる。制御局１００は、各マイクロ波基地局２００から報告される端末局４００の位置情報、ミリ波帯を用いた通信におけるミリ波信号品質情報などを保持する。そして、制御局１００は、保持する情報に基づいて、端末局４００に対して、ミリ波通信の無線リソースを制御する。なお、制御局１００は、連携コーディネータと称されることもある。

マイクロ波基地局２００（図１ではマイクロ波ＡＰ１、２）は、２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯などのマイクロ波帯を用いて、ミリ波基地局３００又は端末局４００と通信を行う。マイクロ波通信としては、例えば、ＷｉＦｉ、ＬＴＥ（3GPP Long Term Evolution）、又は、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）などによる通信が挙げられる。また、マイクロ波基地局２００は、自機がカバーする通信エリア内のミリ波基地局３００とミリ波帯を用いて通信を行う端末局４００から受け取るミリ波信号品質情報を制御局１００へ報告する。その際、マイクロ波基地局２００は、端末局４００からマイクロ波帯で送信される信号を用いて当該端末局４００の位置を推定し、位置情報を制御局１００へ報告する。

ミリ波基地局３００（図１ではミリ波ＡＰ１，２）は、マイクロ波基地局２００の通信エリア内に設けられ、例えば６０ＧＨｚ帯などのミリ波帯を用いて指向性（セクタ）を切り替えて通信を行う。ミリ波基地局３００は、マイクロ波アンテナ及びミリ波指向性アンテナを有し、マイクロ波帯を用いてマイクロ波基地局２００と通信を行うとともに、ミリ波帯を用いて端末局４００と通信を行う。ミリ波通信としては、例えば、ＷｉＧｉｇ（登録商標）などによる通信が挙げられる。ミリ波基地局３００は、マイクロ波基地局２００からの指示に基づいて指向性を切り替える。

端末局４００（図１ではＳＴＡ１〜４）は、マイクロ波アンテナ及びミリ波指向性アンテナを有し、マイクロ波帯を用いてマイクロ波基地局２００と通信を行うとともに、ミリ波帯を用いてミリ波基地局３００と通信を行う。端末局４００は、ミリ波通信時に、マイクロ波基地局２００からの指示に基づいて指向性を切り替える。

図２は、図１に示す通信システム１０における制御局１００、マイクロ波基地局２００、ミリ波基地局３００及び端末局４００の各々の構成を示すブロック図である。

＜制御局１００の構成＞
制御局１００は、通信部１０１と、制御部１０２と、データベース１０３とを有する。

通信部１０１は、各マイクロ波基地局２００から制御情報を受信するとともに、各マイクロ波基地局２００へ制御情報を送信する。ここで、通信システム１０では、ミリ波通信の通信フェーズとして、チャネル測定が行われるチャネル測定期間と、データ通信が行われるデータ通信期間とがある。

チャネル測定期間において通信部１０１が受信する制御情報には、例えば、ミリ波基地局３００と端末局４００との間の各指向性の組み合わせ（以下、ビームセットと称することもある）における信号品質を示すミリ波信号品質情報、及び、当該ミリ波信号品質情報に対応する端末局４００の位置を示す位置情報が含まれる。ミリ波信号品質情報には、例えば、ミリ波基地局３００から送信された信号の端末局４００での受信レベル（受信電力）、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）、ＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise Ratio）などが挙げられる。

データ通信期間において通信部１０１が受信する制御情報には、例えば、ミリ波通信の帯域予約要求、及び、当該帯域予約要求を行った端末局４００の位置を示す位置情報が含まれる。また、データ通信期間において通信部１０１が送信する制御情報には、例えば、端末局４００がミリ波通信時に接続する通信先のミリ波基地局３００、ミリ波基地局３００がミリ波通信時に接続する通信先の端末局４００、又は、ミリ波通信時に使用される指向性、などを含むミリ波無線リソースを示すミリ波無線リソース制御情報が含まれる。

制御部１０２は、チャネル測定期間では、チャネル測定要求をミリ波基地局３００に通知し、端末局４００が生成したミリ波信号品質情報、及び、マイクロ波基地局２００が生成した端末局４００の位置情報を対応付けてデータベース化する。すなわち、データベース１０３には、端末局４００の位置情報と、ミリ波信号品質情報とが対応付けられて格納されている。なお、ミリ波信号品質情報は、ミリ波基地局３００の指向性と端末局４００の指向性との複数の組み合わせ（ビームセット）毎の信号品質を示す。

制御部１０２は、マイクロ波基地局２００から制御情報を受け取る度に、データベース１０３を更新する。

制御部１０２は、データ通信期間では、帯域予約要求を行った端末局４００の位置情報をキーとして、データベース１０３を参照して、当該端末局４００に対して、通信先のミリ波基地局３００、ミリ波基地局３００及び端末局４００の指向性、タイムスロット、送信電力、又は、周波数チャネルを含むミリ波無線リソースを決定する。

＜マイクロ波基地局２００の構成＞
マイクロ波基地局２００は、マイクロ波通信用のアンテナ２０１と、無線通信部２０２と、位置推定部２０３と、制御部２０４と、通信部２０５と、を有する。

無線通信部２０２は、制御部２０４の指示に従って、アンテナ２０１を介して、ミリ波基地局３００又は端末局４００とマイクロ波通信を行う。例えば、無線通信部２０２は、チャネル測定期間では、ミリ波基地局３００に対してチャネル測定要求を送信し、端末局４００からミリ波信号品質情報を受信する。また、無線通信部２０２は、データ通信期間では、端末局４００から帯域予約要求を受信し、ミリ波基地局３００及び端末局４００に対して、ミリ波無線リソース制御情報を送信する。

位置推定部２０３は、ミリ波信号品質情報を送信した端末局４００の位置、及び、帯域予約要求を送信した端末局４００の位置を推定する。例えば、位置推定部２０３は、端末局４００からマイクロ波帯で送信された信号を用いて、端末局４００の位置を推定する。より具体的には、位置推定部２０３は、端末局４００からマイクロ波帯を用いて送信されるミリ波信号品質情報又は帯域予約要求を含む、データパケットに付加されたプリアンブルを用いて、マイクロ波基地局２００と端末局４００との間の伝搬特性情報を推定し、推定した伝搬特性情報を位置情報とする。伝搬路情報は、例えば、マイクロ波基地局２００でのプリアンブルの受信レベル、チャネル推定シンボルの受信波形、受信相関値、インパルスレスポンス（遅延プロファイル）、又は、周波数特性（周波数スペクトル）などの何れかである。なお、位置推定部２０３における端末局４００の位置推定方法の詳細については後述する。

制御部２０４は、チャネル測定期間では、制御局１００から受け取ったチャネル測定要求を、無線通信部２０２を用いてミリ波基地局３００へ送信し、端末局４００から受け取ったミリ波信号品質情報及び位置推定部２０３において推定された端末局４００の位置を示す位置情報を、通信部２０５を用いて制御局１００へ送信する。また、制御部２０４は、データ通信期間では、端末局４００から受け取った帯域予約要求及び位置推定部２０３において推定された端末局４００の位置を示す位置情報を、通信部２０５を用いて制御局１００へ送信する。また、制御部２０４は、制御局１００から受け取ったミリ波無線リソース制御情報を、無線通信部２０２を用いてミリ波基地局３００及び端末局４００へ出力する。

通信部２０５は、制御部２０４の指示に従って、制御局１００との間の制御情報の送受信を行う。

＜ミリ波基地局３００の構成＞
ミリ波基地局３００は、マイクロ波用のアンテナ３０１と、マイクロ波無線通信部３０２と、制御部３０３と、信号品質推定部３０４と、ミリ波無線通信部３０５と、ミリ波用のアンテナ３０６と、を有する。

マイクロ波無線通信部３０２は、制御部３０３の指示に従って、アンテナ３０１を介して、マイクロ波基地局２００とマイクロ波通信を行う。

制御部３０３は、チャネル測定期間では、端末局４００との間で指向性を切り替えて信号品質を測定する。例えば、制御部３０３は、ミリ波無線通信部３０５を用いて、指向性を変更しながら、チャネル品質測定用のパケットを端末局４００へ送信する。また、制御部３０３は、端末局４００から受け取ったチャネル品質測定用のパケットを信号品質推定部３０４へ出力する。また、制御部３０３は、データ通信期間では、マイクロ波基地局２００から受け取ったミリ波無線リソース制御情報に従って、ミリ波無線通信部３０５に対して指向性を指示する。そして、制御部３０３は、端末局４００との間のデータ通信を制御する。

信号品質推定部３０４は、端末局４００が指向性を変更しながら送信したチャネル品質測定用のパケットを用いて信号品質を推定する。

ミリ波無線通信部３０５は、アンテナ３０６を介して、端末局４００とミリ波通信を行う。その際、ミリ波無線通信部３０５は、制御部３０３の指示に従って、指向性を設定する。

＜端末局４００の構成＞
端末局４００は、マイクロ波用のアンテナ４０１と、マイクロ波無線通信部４０２と、制御部４０３と、信号品質推定部４０４と、ミリ波無線通信部４０５と、ミリ波用のアンテナ４０６と、を有する。

マイクロ波無線通信部４０２は、制御部４０３の指示に従って、アンテナ４０１を介して、マイクロ波基地局２００とマイクロ波通信を行う。

制御部４０３は、チャネル測定期間では、ミリ波基地局３００との間で指向性を切り替えて信号品質を測定する。例えば、制御部４０３は、ミリ波基地局３００から受け取ったチャネル品質測定用のパケットを信号品質推定部４０４へ出力する。また、制御部４０３は、ミリ波無線通信部４０５を用いて、指向性を変更しながら、チャネル品質測定用のパケットをミリ波基地局３００へ送信する。そして、制御部４０３は、信号品質推定部４０４において生成されたミリ波信号品質情報を、マイクロ波無線通信部４０２を用いてマイクロ波基地局２００へ送信する。

制御部４０３は、データ通信期間では、まず、データ通信を開始するための帯域予約要求を、マイクロ波無線通信部４０２を用いてマイクロ波基地局２００へ送信する。また、制御部４０３は、データ通信期間では、マイクロ波基地局２００から受け取ったミリ波無線リソース制御情報に従って、ミリ波無線通信部４０５に対して指向性を指示する。そして、制御部４０３は、端末局４００との間のデータ通信を制御する。

信号品質推定部４０４は、ミリ波基地局３００が指向性を変更しながら送信したチャネル品質測定用のパケットを用いて信号品質を推定する。そして、信号品質推定部４０４は、ミリ波基地局３００の指向性と端末局４００の指向性との複数の組み合わせ（ビームセット）毎の信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成する。

ミリ波無線通信部４０５は、アンテナ４０６を介して、ミリ波基地局３００とミリ波通信を行う。その際、ミリ波無線通信部４０５は、制御部４０３の指示に従って、指向性を設定する。

＜通信システム１０の動作＞
次に、本実施形態に係る通信システム１０の動作について説明する。

図３は、本実施の形態に係る通信システム１０を構成する各装置の動作を示すシーケンス図である。なお、図３において、点線矢印はマイクロ波通信を表し、実線矢印はミリ波通信を表す。なお、上述したように、制御局１００とマイクロ波基地局２００との間の通信は、マイクロ波通信に限定されず、有線通信でもよい。また、制御局１００とミリ波基地局３００との間の通信は、マイクロ波基地局２００を介さずに直接行われてもよい。

また、図３に示すステップ（以下、「ＳＴ」と表す）１０１〜ＳＴ１０６の処理はチャネル測定期間の処理に相当し、ＳＴ１０７〜ＳＴ１１５の処理はデータ通信期間の処理に相当する。

ＳＴ１０１では、制御局１００は、ミリ波基地局３００と端末局４００との間の信号品質測定を指示するチャネル推定指示を、マイクロ波基地局２００を介して、ミリ波基地局３００へ通知する。

ＳＴ１０２では、ＳＴ１０１においてチャネル推定指示を受け取ったミリ波基地局３００は、端末局４００との間において指向性スイープ処理（ミリ波信号品質測定）を行う。

例えば、図４に示すように、ＳＴ１０２における指向性スイープ処理では、まず、ミリ波基地局３００は、指向性を変更しながらチャネル品質測定用のパケットを送信し、端末局４００は、全指向性（無指向性）にて受信したチャネル品質測定用のパケットを用いて信号品質を推定する。次いで、端末局４００は、指向性を変更しながらチャネル品質測定用のパケットを送信し、ミリ波基地局３００は、全指向性にて受信したチャネル品質測定用のパケットを用いて信号品質を推定する。また、ミリ波基地局３００及び端末局４００は、例えば、各々において切り替えた複数の指向性の中からより良好な信号品質が得られた所定数の指向性をそれぞれ選択する。

そして、ミリ波基地局３００の選択された指向性と、端末局４００の選択された指向性との各組み合わせ（ビームセット）について、ミリ波基地局３００は、チャネル品質測定用のパケットを送信し、端末局４００は、チャネル品質測定用のパケットを用いて上記同様の信号品質測定を行う。そして、端末局４００は、各ビームセットにおける信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成する。なお、各ビームセットについて、端末局４００がチャネル品質測定用のパケットを送信し、ミリ波基地局３００がチャネル品質測定用のパケットを用いてミリ波信号品質情報を生成してもよい。また、図４に示す指向性スイープ処理は一例であって、図４に示す処理に限定されるものではない。

図３に戻り、ＳＴ１０３では、端末局４００は、ＳＴ１０２において生成したミリ波信号品質情報をマイクロ波基地局２００へ報告する。

ＳＴ１０４では、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０３においてミリ波信号品質情報を送信した端末局４００の位置を推定する。例えば、マイクロ波基地局２００は、端末局４００が送信したミリ波信号品質情報を含むパケットを用いて、当該端末局４００の位置を推定する。

図５は、マイクロ波基地局２００が、端末局４００から送信されるパケットを用いて端末局４００の位置を推定する方法の一例を示す。

例えば、図３のＳＴ１０３において、端末局４００から送信されるミリ波信号品質情報を含むパケットは、図５に示す構成を採る。具体的には、端末局４００から送信されるパケットは、同期検出用プリアンブルを含むＳＴＦ（Short Training Field）と、伝搬推定用プリアンブルを含むＬＴＦ（Long Training Field）と、ミリ波信号品質情報を含むＤＡＴＡ部とから構成される。

マイクロ波基地局２００（位置推定部２０３）は、図５に示す受信処理において、ＬＴＦを用いて伝搬路推定を行い、ＬＴＦについて、受信レベル、受信信号波形、インパルスレスポンス（遅延プロファイル）又は周波数スペクトル（周波数特性）などを示す伝搬路情報を生成する。

ここで、図５の構成を採るパケットは、端末局４００（STA）からマイクロ波基地局２００（マイクロ波AP）へマイクロ波帯を用いて送信される。この場合、図５に示すように、端末局４００からの信号が伝搬路の途中にある建物、地形などに反射、屈折することによって、当該信号の伝搬環境は、複数の経路（パス）を介してマイクロ波基地局２００に到達するマルチパス環境となる。マイクロ波通信の伝搬路では、多数のパスが存在するマルチパスリッチ環境となることが知られている。

このため、マイクロ波通信では、送受信機器間の位置関係（端末局４００とマイクロ波基地局２００との位置関係）によって、無線信号の到達経路が大きく異なる。つまり、マイクロ波基地局２００において生成される伝搬路情報は、マイクロ波通信エリア内における端末局４００の位置によって異なる。

そこで、本実施の形態では、マイクロ波基地局２００（位置推定部２０３）は、端末局４００との間の伝搬路情報と、端末局４００の位置情報とを一意に対応付ける。すなわち、マイクロ波基地局２００は、端末局４００との間の伝搬路情報を、当該端末局４００の位置情報として用いる。例えば、図５に示すように、マイクロ波基地局２００は、端末局４００の位置情報（フィンガープリントと称することもある）を所定数のビット列によって表してもよい。

図３に戻り、ＳＴ１０５では、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０３において取得したミリ波信号品質情報、及び、ＳＴ１０４において生成した位置情報を制御局１００へ報告する。

ＳＴ１０６では制御局１００は、ＳＴ１０５において受け取ったミリ波信号品質情報と、当該ミリ波信号品質情報に対応する位置情報とを対応付けてデータベース１０３に格納する。つまり、データベース１０３には、マイクロ波帯の信号を用いて得られた位置情報をラベルとして、ミリ波帯の信号品質情報が格納される。

図６は、データベース１０３に格納される情報の一例を示す。図６では、端末局４００の複数の位置情報の各々に対して、各ミリ波基地局３００（図６ではミリ波ＡＰ１、ミリ波ＡＰ２）の各指向性と端末局４００の各指向性との組み合わせ（図６ではビームセット１、ビームセット２）における信号品質情報（図６では受信レベル［dBm］）が対応付けられている。つまり、データベース１０３には、どの位置の端末局４００とどのミリ波基地局３００との間のどの指向性において受信品質がどれ位であるかを示す情報が格納されている。

制御局１００は、各位置情報に関するミリ波信号品質情報が報告される度に、データベース１０３を更新する。このようにして、制御局１００は、マイクロ波基地局２００の通信エリア内の各位置での、ミリ波基地局３００の各指向性及び端末局４００の各指向性における受信品質を把握している。

ＳＴ１０１〜ＳＴ１０６のチャネル測定期間の処理は、例えば、所定間隔にて定期的に行われてもよく、制御局１００が判断する特定のタイミングにて不定期に行われてもよい。

図３に示すデータ通信期間において、ＳＴ１０７では、端末局４００は、データ通信を希望する場合、データ通信を開始するための帯域予約要求をマイクロ波基地局２００へ送信する。

ＳＴ１０８では、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０４と同様にして、端末局４００から送信されるパケットを用いて、端末局４００の位置を推定する。例えば、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０７において受け取った帯域予約要求を含むパケット（ＬＴＦ）を用いて端末局４００の位置を推定してもよい。または、マイクロ波基地局２００は、帯域予約要求を受け取ると、端末局４００に対して参照信号の送信を要求し、端末局４００から送信される参照信号を用いて、端末局４００の位置を推定してもよい。

ＳＴ１０９では、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０７において受け取った帯域予約要求、及び、ＳＴ１０８において推定した端末局４００の位置情報を制御局１００へ報告する。

ＳＴ１１０では、制御局１００は、ＳＴ１０９において帯域予約要求を受け取ると、ＳＴ１０９において受け取った端末局４００の位置情報をキーとしてデータベース１０３を参照し、当該端末局４００に対する無線リソースを決定する。

例えば、制御局１００は、図６に示すデータベース１０３の内容を参照して、端末局４００の位置情報に対応する受信レベルのうち、最も高い受信レベルを示すビームセットに対応する無線リソースを、当該端末局４００に対して割り当てる。例えば、マイクロ波基地局２００から報告される端末局４００の位置情報が［００１１０１］の場合、制御局１００は、図６に示す［００１１０１］に対応する複数のビームセットを比較して、最も高い受信レベル（-65dBm）を有するミリ波ＡＰ２のビームセット２を当該端末局４００に対して割り当てる。

制御局１００は、端末局４００に対して、決定した無線リソース（通信先のミリ波基地局３００、指向性などを含む）を示すミリ波無線リソース制御情報を生成する。また、制御局１００は、当該端末局４００とミリ波通信を行うミリ波基地局３００に対して、決定した無線リソース（通信先の端末局４００、指向性などを含む）を示すミリ波無線リソース制御情報を生成する。

ＳＴ１１１では、制御局１００は、ＳＴ１１０において生成したミリ波無線リソース制御情報を、マイクロ波基地局２００を介して、ミリ波基地局３００へ通知する。ＳＴ１１２では、ミリ波基地局３００は、ＳＴ１１１において受け取ったミリ波無線リソース制御情報に従って、指向性を切り替える。

ＳＴ１１３では、制御局１００は、ＳＴ１１０において生成したミリ波無線リソース制御情報を、マイクロ波基地局２００を介して、端末局４００へ通知する。ＳＴ１１４では、端末局４００は、ＳＴ１１３において受け取ったミリ波無線リソース制御情報に従って、指向性を切り替える。

ＳＴ１１５では、ミリ波基地局３００及び端末局４００は、ミリ波帯を用いたデータ通信を行う。例えば、図７に示すように、ミリ波基地局３００及び端末局４００は、ミリ波無線リソース制御情報によって通知された指向性に切り替えてデータ通信を行う。

なお、図７に示すように、端末局４００（又はミリ波基地局３００）は、ＳＴ１１５に示すデータ通信において、ＳＴ１１２及びＳＴ１１４で切り替えた指向性の組み合わせ（ビームセット）における信号品質を測定し、ミリ波信号品質情報としてマイクロ波基地局２００へ報告してもよい（ＳＴ１１６）。この場合、マイクロ波基地局２００は、ＳＴ１０８と同様、端末局４００の位置を推定し（ＳＴ１１７）、ミリ波信号品質情報及び位置情報を制御局１００へ報告する（ＳＴ１１８）。制御局１００は、ＳＴ１１０と同様、ＳＴ１１８において受け取った位置情報及びミリ波信号品質情報に基づいて、データベース１０３を更新すればよい（ＳＴ１１９）。これにより、チャネル測定期間以外のデータ通信期間においてもデータベース１０３の内容を最新の状態に更新できるので、制御局１００におけるリソース割当の精度を向上させることができる。

このようにして、本実施の形態では、制御局１００は、端末局４００が生成したミリ波信号品質情報と、当該ミリ波信号品質情報に対応する位置情報とを対応付けて保持する。つまり、通信システム１０では、制御局１００は、ミリ波通信よりも広いカバレッジを有するマイクロ波通信エリアにおいて、ミリ波通信のチャネル品質の状況を収集する。これにより、制御局１００は、マイクロ波基地局２００の通信エリア内の各位置における端末局４００のミリ波通信での通信環境を予め把握する。

そして、制御局１００は、ミリ波通信の帯域予約要求を行う端末局４００の現在位置をキーとして、データベース１０３を参照することにより、当該端末局４００及びミリ波基地局３００の最適な指向性を特定する。つまり、通信システム１０において、端末局４００がデータ通信を開始する度に、最適な指向性を決定するために、端末局４００とミリ波基地局３００とが設定し得る指向性の組み合わせを全て試す必要が無くなる。

よって、本実施の形態によれば、指向性を切り替えて初期接続を行う際に、初期接続が確立されるまでの時間を短縮することができる。また、指向性選択プロセスに要する時間を削減することで、データ通信をより早く開始できるので、システムスループットを向上させることができる。

また、本実施の形態では、マイクロ波基地局２００は、端末局４００からマイクロ波帯で送信されるパケットを用いて当該端末局４００の位置を特定する（図５を参照）。具体的には、マイクロ波基地局２００は、端末局４００からマイクロ波帯で送信されるパケット（ＬＴＦ）を用いて推定される伝搬路情報を、位置情報として用いる。こうすることで、端末局４００の絶対位置を推定する場合と比較して、端末局４００の位置推定処理をより簡易に実施することが可能となる。

また、本実施の形態では、制御局１００は、データベース１０３において、マイクロ波通信エリア内に存在する複数の端末局４００の位置、及び、当該位置での各指向性における信号品質を把握している。このため、制御局１００は、端末局４００が存在し得る各位置での複数のミリ波基地局３００からの被干渉量を予測することができる。そこで、制御局１００は、更に、データベース１０３を参照して、複数の端末局４００の位置情報に応じて、複数のミリ波基地局３００からの干渉を考慮したリソース割当制御を行ってもよい。以下、干渉を考慮したリソース割当制御について、図８Ａ及び図８Ｂを参照してより詳細に説明する。

以下では、図８Ａに示すように、ＳＴＡ１〜４（端末局４００）の各々がＡＰ１又はＡＰ２（ミリ波基地局３００）とミリ波通信を行う場合について説明する。

図８Ａに示す状況において、制御局１００は、データベース１０３を参照して、複数の端末局４００の各々の位置における、ミリ波基地局３００の指向性及び端末局４００の指向性でのミリ波信号品質を特定する。つまり、制御局１００は、データベース１０３において、ＳＴＡ１〜ＳＴＡ４の各々の位置における信号品質を把握している。例えば、制御局１００は、データベース１０３を参照して、図８Ａに示すＳＴＡ１に対してＡＰ１のビームセット１、ＳＴＡ２に対してＡＰ２のビームセット１、ＳＴＡ３に対してＡＰ１のビームセット２、ＳＴＡ４に対してＡＰ２のビームセット２、を割り当てることにより、最適な受信品質（例えば、最も高い受信レベル）が得られることを把握しているとする。

しかし、図８Ａにおいて、仮に、制御局１００が同一タイミング（タイムスロット）でＳＴＡ１に対してＡＰ１のビームセット１を設定し、ＳＴＡ２に対してＡＰ２のビームセット１を設定したとする。この場合、ＳＴＡ１は、ＡＰ１からの信号（所望信号）のみでなく、ＡＰ２からの信号（干渉信号）も同時に受信してしまい、ＳＴＡ１での誤り率が増加してしまうことがある。同様に、ＳＴＡ２は、ＡＰ２からの信号（所望信号）のみでなく、ＡＰ１からの信号（干渉信号）も同時に受信してしまい、ＳＴＡ２での誤り率が増加してしまうことがある。上記ＳＴＡ１及びＳＴＡ２における干渉は、ＳＴＡ３及びＳＴＡ４でも発生しうる。

そこで、制御局１００は、複数の端末局４００において複数のミリ波基地局３００からの信号による干渉を受けないように、複数の端末局４００に対して、通信先のミリ波基地局３００、ミリ波基地局３００及び端末局４００の指向性、及び、タイムスロットを決定する。

例えば、制御局１００は、図８Ｂに示すように、ＳＴＡ１に対するＡＰ１のビームセット１の割当と、ＳＴＡ２に対するＡＰ２のビームセット１の割当とを同一タイミングでは行わずに、異なるタイミングで行う。例えば、図８Ｂでは、制御局１００は、タイムスロット１においてＳＴＡ１に対してＡＰ１のビームセット１を設定し、タイムスロット２においてＳＴＡ２に対してＡＰ２のビームセット１を設定する。同様に、図８Ｂでは、制御局１００は、タイムスロット１においてＳＴＡ４に対してＡＰ２のビームセット２を設定し、タイムスロット２においてＳＴＡ３に対してＡＰ１のビームセット２を設定する。

こうすることで、例えば、図８Ａに示すようにタイムスロット１、２の各々では、ＡＰ１及びＡＰ２の各々が送信する信号が送信対象のＳＴＡ以外の他のＳＴＡに対して干渉を与えることが無くなる。

このように、制御局１００は、データベース１０３を参照して、各端末局４００における複数のミリ波基地局３００からの干渉量を予測して、予測した干渉量を考慮したリソース割当を行う。これにより、例えば、或るミリ波基地局３００が指向性を向けている端末局４００の他に新たに端末局４００が帯域予約要求を行ったとしても、制御局１００は、新たな端末局４００の位置における信号品質を特定できるので、これらの端末局４００に対して、無線リソース（指向性、時間リソースなど）を適切に制御することができる。

換言すると、本実施の形態によれば、制御局１００は、端末局４００間の公平性の制約条件の下、システムレートを最大化する端末局４００の組み合わせを予測して、無線リソースの制御を実施することができる。これにより、通信システム１０では、カバレッジが小さく、指向性が高いミリ波通信エリアを高密度に配置することができ、システム容量を増大させることも可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。

なお、図１に示す通信システム１０では、制御局１００が各マイクロ波基地局２００と接続される場合について説明したが、制御局１００は、マイクロ波基地局２００に加え、ミリ波基地局３００と直接接続されてもよい。

また、上記実施の形態において、端末局４００の位置情報としては、伝搬路情報をビット列によって表される場合（図５を参照）に限定されず、例えば、平面座標上の位置（ｘ，ｙ）として表されてもよい。

本発明は、移動通信システムに用いるのに好適である。

１０通信システム
１００制御局
２００マイクロ波基地局
３００ミリ波基地局
４００端末局
１０１，２０５通信部
１０２，２０４，３０３，４０３制御部
１０３データベース
２０１，３０１，３０６，４０１，４０６アンテナ
２０２無線通信部
２０３位置推定部
３０２，４０２マイクロ波無線通信部
３０４，４０４信号品質推定部
３０５，４０５ミリ波無線通信部

Claims

マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、前記マイクロ波基地局に接続された制御局と、を有する通信システムであって、
前記端末局は、
前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を推定し、前記信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成する信号品質推定部と、
前記ミリ波信号品質情報、及び、データ通信を開始するための帯域予約要求を送信する無線通信部と、を具備し、
前記マイクロ波基地局は、
前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、及び、前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置を推定する位置推定部と、
前記ミリ波信号品質情報と前記第１の位置、及び、前記帯域予約要求と前記第２の位置を前記制御局へ送信する通信部と、を具備し、
前記制御局は、
前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とを対応付けて格納するデータベースと、
前記第２の位置をキーとして、前記データベースを参照して、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する制御部と、を具備する、
通信システム。
前記位置推定部は、前記端末局からマイクロ波帯で送信される信号を用いて、前記第１の位置及び前記第２の位置を推定する、
請求項１に記載の通信システム。
前記位置推定部は、前記端末局からマイクロ波帯を用いて送信される前記ミリ波信号品質情報及び前記帯域予約要求を含む、データパケットに付加されたプリアンブルを用いて、前記マイクロ波基地局と前記端末局との間の伝搬路情報を推定し、前記推定された伝搬路情報を前記第１の位置又は前記第２の位置を示す位置情報とする、
請求項１に記載の通信システム。
前記伝搬路情報は、前記マイクロ波基地局での前記プリアンブルの受信レベル、受信波形、遅延プロファイル又は周波数スペクトルの何れかである、
請求項３に記載の通信システム。
前記ミリ波信号品質情報は、前記ミリ波基地局から送信された信号の前記端末局での受信電力、ＳＮＲ又はＳＩＮＲの何れかである、
請求項１に記載の通信システム。
前記無線リソースは、更に、送信電力、又は、送信チャネルを含む、
請求項１に記載の通信システム。
前記制御部は、前記データベースを参照して、前記複数の端末局の各々の前記第２の位置における前記第１の指向性及び前記第２の指向性での信号品質を特定し、前記複数の端末局において前記複数のミリ波基地局からの信号による干渉を受けないように、前記複数の端末局に対して、前記通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、前記第２の指向性、及び、タイムスロットを決定する、
請求項１に記載の通信システム。
マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、を有する通信システムにおいて、前記マイクロ波基地局に接続された制御局であって、
前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を示すミリ波信号品質情報と前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、及び、前記端末局がデータ通信を開始するための帯域予約要求と前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置、を受信する通信部と、
前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とを対応付けて格納するデータベースと、
前記第２の位置をキーとして、前記データベースを参照して、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する制御部と、
を具備する制御局。
マイクロ波帯を用いて通信を行うマイクロ波基地局と、前記マイクロ波基地局の通信エリア内に設けられ、ミリ波帯を用いて指向性を切り替えて通信を行う複数のミリ波基地局と、前記マイクロ波基地局及び前記ミリ波基地局と通信を行う複数の端末局と、前記マイクロ波基地局に接続された制御局と、を有する通信システムにおいて、
前記ミリ波基地局の第１の指向性と前記端末局の第２の指向性との複数の組み合わせ毎の信号品質を推定し、前記信号品質を示すミリ波信号品質情報を生成し、
前記ミリ波信号品質情報、及び、前記端末局がデータ通信を開始するための帯域予約要求を送信し、
前記ミリ波信号品質情報を送信した前記端末局の第１の位置、及び、前記帯域予約要求を送信した前記端末局の第２の位置を推定し、
前記ミリ波信号品質情報と前記第１の位置、及び、前記帯域予約要求と前記第２の位置を前記制御局へ送信し、
前記ミリ波信号品質情報と、前記第１の位置とが対応付けて格納されたデータベースを参照して、前記第２の位置をキーとして、前記帯域予約要求を送信した前記端末局に対して、通信先のミリ波基地局、前記第１の指向性、及び、前記第２の指向性を含む無線リソースを決定する、
リソース制御方法。