JP6494492B2 - ミリ波通信制御方法及びミリ波通信制御装置 - Google Patents

ミリ波通信制御方法及びミリ波通信制御装置 Download PDF

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Description

本開示は、ミリ波通信制御方法及びミリ波通信制御装置に関する。
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装置の導入が検討されている。例えば、マイクロ波帯を用いて通信を行う基地局装置の通信エリア内に複数の小型基地局装置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。
かかる小型基地局装置では、ミリ波帯を用いるため伝搬損が大きくなり、電波の到達距離を延ばすことが難しい。
このような伝搬損の改善、更には、通信速度の高速化及びセルエリア（通信エリア）の拡大に寄与する一つの方法としては、基地局装置において、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）を行う方法がある。指向性制御を行う方法は、基地局装置の送信する電波を、端末（「端末局装置」又は「ＳＴＡ（Station）」と呼ばれることもある）の存在する方向に向けること（指向性）によって、無指向性での送信よりも遠距離の地点まで電波を到達させることができ、基地局装置のカバーするセルエリアを拡大することができる。また、端末は、SINR（Signal to Interference-plus-Noise power Ratio）を改善できるため、周波数利用効率の高い変調方式及び符号化率を適用できるため、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）。
IEEE 802.11ad-2012 Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange between systems-Local and Metropolitan networks-Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 3: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band
ところで、ヘテロジニアスネットワークでは、複数の小型基地局装置で構成されるミリ波ネットワークの無線リソースを他のシステム（例えば、マイクロ波ネットワークとミリ波ネットワークの両方に対応した端末がマイクロ波ネットワークを利用している場合）の端末に二次利用させることも有効である。しかしながら、従来では、ミリ波ネットワークの無線リソースを他のネットワークに属する端末に二次利用させるための初期接続が確立されるまでの時間の短縮が不十分であった。
本開示の非限定的な実施例は、ミリ波ネットワークの二次利用時における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ミリ波通信制御方法及びミリ波通信制御装置を提供する。
本開示の一態様に係るミリ波通信制御方法は、マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有するミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおけるミリ波通信制御方法であって、前記ミリ波ネットワークを制御するミリ波通信制御装置において、前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれ、前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの１つ以上の無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てられる第１の無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定し、前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の無線リソースに対応する第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が前記第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる。
本開示の一態様に係るミリ波通信制御装置は、マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有するミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおける前記ミリ波ネットワークに属するミリ波通信制御装置であって、前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれる、受信部と、前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの１つ以上の無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てられる第１の無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定する設定部と、前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の無線リソースに対応する第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が前記第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる、送信部と、を備える。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、ミリ波ネットワークの二次利用時における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。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
ミリ波ネットワークの無線リソースを二次利用する場合の各装置の動作を示すシーケンス図 本開示の実施の形態に係る通信システムの構成を示す図 本開示の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 本開示の実施の形態に係る通信フレームの構成例を示す図
［本開示の一態様をするに至った経緯］
従来、指向性制御において、初期接続が確立する前の段階では、基地局装置は、端末の存在する方向を判断できる情報を有さないため、端末の存在する方向に指向性を向けて信号を送信することは困難である。
そのため、基地局装置がセルエリア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全体をカバーし、指向性制御によってセルエリアがカバーできる範囲を広げることができる。ヘテロジニアスネットワークは、指向性制御可能な小型基地局装置を高密度に配置することによって、セルエリアを連続させてセルエリアがカバーできる範囲を広げることができる。
しかしながら、ヘテロジニアスネットワークは、多くの小型基地局装置を高密度に配置する必要があり、更に、いかに効率的に端末を小型基地局装置に接続させるかに対して対処が求められる。これに対して、ヘテロジニアスネットワークは、既に自営ＬＡＮとして設定されている複数の小型基地局装置の回線を二次利用することが有効である。
図１は、ヘテロジニアスネットワークにおいて、マイクロ波ネットワーク及びミリ波ネットワークの双方に接続可能なマルチバンド端末（マルチバンドＳＴＡ）がミリ波ネットワーク（例えば、既設の自営ＬＡＮ）の小型基地局装置（以下、「ミリ波ＡＰ（Access Point）」と呼ぶこともある）を二次利用する場合の接続処理を示すシーケンス図である。
ここでは、小型基地局装置の二次利用にあたって、マルチバンド端末のユーザには、二次利用時の接続に必要な固定的に割り当てられた接続情報（無線ＬＡＮのＳＳＩＤ又はパスワードなど）が予め通知されている。ユーザは、接続情報を使用してマルチバンド端末を小型基地局装置に接続させる。
図１において、ステップ（以下、「Ｓ」と表す）１１では、ミリ波ＡＰは、ビーム方向を変え、ビーコン周期（例えば、100msec）でビーコンを送信する。ビーコンは、ミリ波ＡＰのＳＳＩＤを含む。
Ｓ１２では、マルチバンド端末は、ミリ波ＡＰからのビーコンをサーチする。マルチバンド端末は、ミリ波通信システムのセルエリア内に入り、自機のビーム方向（指向性）がビーコンの送信方向に向いた場合にビーコンを受信する。
Ｓ１３では、マルチバンド端末は、受信したビーコンに対応するミリ波ＡＰが利用可能であるか否かを判定する。具体的には、マルチバンド端末は、Ｓ１２で受信したビーコンが予め通知されたＳＳＩＤ（接続情報）と一致する場合にミリ波ＡＰが利用可能であると判定する。利用可能なミリ波ＡＰを検出した場合、Ｓ１４では、マルチバンド端末は、ミリ波接続要求（ＳＳＩＤを含む）をミリ波ＡＰへ送信する。ミリ波ＡＰは、マルチバンド端末からのミリ波接続要求を許可する場合、Ｓ１５においてミリ波接続許可をマルチバンド端末へ送信する。
Ｓ１６では、ミリ波ＡＰは、各ビーム方向に、トレーニングパケットを送信して、ビームトレーニングを行う。トレーニングパケットは、ビーム方向に応じたビームＩＤを含む。Ｓ１７では、マルチバンド端末は、トレーニングパケットを受信した後、受信したトレーニングパケットに含まれるビームＩＤをミリ波ＡＰに通知する。Ｓ１８では、ミリ波ＡＰは、Ｓ１７でマルチバンド端末から受信したビームＩＤに基づいて、マルチバンド端末に対する初期ビーム（ビーム範囲）を設定する。
初期ビームの設定が完了した後、Ｓ１９では、ミリ波ＡＰ及びマルチバンド端末は、ミリ波帯を用いたデータ通信（ミリ波データ通信）を開始する。なお、ミリ波ＡＰは、データ通信中に、必要に応じてマルチバンド端末に対して、再度、ビームの指向性制御を行ってもよい。
Ｓ２０では、マルチバンド端末は、データ通信が終了した後、ミリ波切断要求をミリ波ＡＰに送信する。Ｓ２１では、ミリ波ＡＰは、マルチバンド端末とのミリ波接続を切断する。
以上、マルチバンド端末がミリ波ＡＰを二次利用する場合の動作について説明した。
このように、ミリ波ＡＰの二次利用のために、ユーザ（マルチバンド端末）は、二次利用可能なミリ波ＡＰを検出し、ミリ波ＡＰは、ユーザの接続要求に応じてミリ波帯の無線リソースをマルチバンド端末に割り当てる。すなわち、ユーザの都合によってミリ波ＡＰに対して接続要求が行われるので、ミリ波ＡＰ（自営ＬＡＮ）は、接続される端末数又は端末の状態を把握することは困難である。
このため、各ミリ波ＡＰに割り当てられたミリ波帯域（チャネル）は、未使用のミリ波帯域（チャネル）が多数有る場合には二次利用によって空き無線リソースが有効利用されるが、未使用のミリ波帯域（チャネル）が少ない場合には二次利用によってミリ波帯域を圧迫することになる。このように、ミリ波帯域を二次利用する場合、ミリ波ＡＰは、マルチバンド端末に割り当てる（貸し出す）無線リソースの制御を行うことが困難であった。
また、図１のＳ２０のようにデータ通信を終了させるためには、マルチバンド端末からミリ波ＡＰへミリ波切断要求を送信することが基本であるが、ミリ波切断要求を送信せずにマルチバンド端末がミリ波通信のセルエリアから離れることもある。この場合、ミリ波ＡＰは、離脱したマルチバンド端末との接続に使用していた無線リソース（管理リソース）をリリースすることが困難であるため、無線リソースの利用効率を低下させてしまう。
また、マルチバンド端末がミリ波ＡＰに接続するための接続情報は、マルチバンド端末に予め知らせてあるため、接続情報は固定的である。よって、接続情報が第三者に知られた後は、正規ユーザ以外でもミリ波ＡＰに接続可能である。そのため、ミリ波ネットワーク（自営ＬＡＮ）及びヘテロジニアスネットワークの双方においてセキュアに接続する通信が求められる。
また、マルチバンド端末とミリ波ＡＰとの初期接続を確立するまでの時間は、更なる短縮が望まれる。
本開示に係る一態様は、ミリ波ネットワークの無線リソースを他のネットワークに属する端末に二次利用させる場合に、無線リソースをセキュアにかつ効率良く割り当てること、及び、二次利用時の初期接続を確立するまでの時間を短縮することを目的とする。
以下、本開示の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜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２を参照しながら説明する。
図２に示す通信システム１０は、ミリ波制御部（ミリ波通信制御装置に対応）１０１と、複数のミリ波アクセスポイント（ＡＰ）１０２，１０３と、ミリ波ゲートウェイ（ＧＷ）１０４と、これらを接続するＬＡＮ１００（自営ＬＡＮ）と、ミリ波端末（ＳＴＡ）１０５と、マルチバンド端末（ＳＴＡ）１０７と、マイクロ波制御部（マイクロ波通信制御装置に対応）１０９と、マイクロ波基地局装置１１０と、マイクロ波ゲートウェイ（ＧＷ）１１１と、を有する。
＜ミリ波ネットワークの説明＞
ＬＡＮ１００は、ミリ波制御部１０１と、複数のミリ波ＡＰ１０２，１０３と、ミリ波ＧＷ１０４とを接続している。また、ＬＡＮ１００は、図示していない他のノードも接続している。ＬＡＮ１００は、有線接続でも無線接続でもよく、例えばEthernet（登録商標)、Wi-Fi（登録商標）、USB(登録商標)又は光ファイバ通信などによる接続を用いることができる。
ミリ波ＧＷ１０４は、ＬＡＮ１００と、インターネットなどのＩＰ（Internet Protocol）網１１３とを接続し、ＬＡＮ１００内のノードから外部への通信又は外部からＬＡＮ１００内のノードへの通信を中継するルータ、ＮＡＴ（Network Address Translation）、ＮＡＰＴ(Network Address Port Translation)などの機能を備える。さらに、ミリ波ＧＷ１０４は、ＶＬＡＮ(Virtual LAN)、ＶＰＮ(Virtual Private Network)などの仮想ネットワークを扱うための機能を備える。
ミリ波ＡＰ１０２，１０３は、例えば６０ＧＨｚ帯などのミリ波帯を用いて、ミリ波無線部を備える端末と通信を行う。ミリ波ＡＰ１０２，１０３は、無線通信を行う際に指向性制御を行う。また、ミリ波ＡＰ１０２，１０３は、複数のミリ波無線部を備えてもよい。
例えば、図２に示すミリ波ＡＰ１０２は、３つの独立したミリ波無線部１０２１，１０２２，１０２３を備える。例えば、ミリ波無線部１０２１は、指向性制御によって比較的狭いミリ波通信エリア(セルエリア)１０６（例えば、角度範囲：数十度、距離：数ｍ程度）を形成する。同様に、ミリ波無線部１０２３は、指向性制御によって比較的狭いミリ波通信エリア１０８を形成する。なお、ミリ波無線部１０２２も同様にして比較的狭いミリ波通信エリア（図示せず）を形成する。
また、ミリ波ＡＰ１０３でも、ミリ波ＡＰ１０２と同様、複数のミリ波無線部が比較的狭いミリ波通信エリアをそれぞれ形成する（図示せず）。１つのミリ波通信エリア１０６，１０８は比較的狭い範囲である。このため、ミリ波ネットワークでは、ミリ波ＡＰを複数配置することにより、ミリ波の通信エリアを拡大する。
ミリ波端末１０５は、ミリ波無線部１０５１を備え、ミリ波ＡＰと無線通信を行う。例えば、図２では、ミリ波端末１０５がミリ波通信エリア１０６内に存在するので、ミリ波端末１０５のミリ波無線部１０５１及びミリ波ＡＰ１０２のミリ波無線部１０２１は、互いに指向性制御を行い、高速通信を行う。
ミリ波制御部１０１は、複数のミリ波ＡＰ１０２，１０３の制御を行う。ミリ波制御部１０１は、例えば、各ミリ波ＡＰ１０２，１０３が有する複数のミリ波通信エリア内に存在する端末の初期接続手続き及び認証、ミリ波通信エリアの移動管理、又は、複数のミリ波ＡＰ１０２，１０３の間のミリ波通信エリアの移動管理、ミリ波通信エリアの形状、チャネル割当、収容端末数又は通信量を各ミリ波ＡＰ１０２，１０３に振り分ける負荷分散などの制御を行う。
ミリ波制御部１０１は、通信部１０１１（受信部及び送信部に相当）及び設定部１０１２を備える。通信部１０１１は、マイクロ波ネットワークに属する端末（ここでは、マルチバンド端末１０７）によるミリ波ネットワークの利用要求を、マイクロ波制御部１０９から受信する。利用要求は、マルチバンド端末１０７の端末位置情報を含む。設定部１０１２は、端末位置情報に基づいて、複数のミリ波ＡＰの無線リソースのうち、マルチバンド端末１０７に割り当てる無線リソース、及び、マルチバンド端末１０７に対するビーム範囲を設定する。
そして、通信部１０１１は、マルチバンド端末１０７に割り当てられる無線リソースに対応するミリ波ＡＰ（図２ではミリ波ＡＰ１０２）に接続するための第１接続情報（貸出情報）をマイクロ波制御部１０９に送信する。なお、第１接続情報（貸出情報）は、ミリ波ネットワークに属するミリ波端末１０５が当該ミリ波ＡＰ（ミリ波ＡＰ１０２）に接続するための第２接続情報とは異なる。
＜マイクロ波ＮＷの説明＞
マイクロ波基地局装置１１０は、例えば２．４ＧＨｚ帯又は５ＧＨｚ帯などのマイクロ波帯を用いて、マイクロ波無線部を備える端末と通信を行う。マイクロ波通信としては、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、ＬＴＥ（3GPP Long Term Evolution）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は、Ｚｉｇｂｅｅ（登録商標）などによる通信が挙げられる。マイクロ波の伝搬距離は長いため、ミリ波通信エリアに対して比較的広い（角度範囲は３６０度、距離は数十ｍ〜数ｋｍ）マイクロ波通信エリア１１２が形成される。
マイクロ波ネットワークは、例えば、複数のマイクロ波基地局装置（図２ではマイクロ波基地局装置１１０を示す）を含み、マイクロ波制御部１０９は、マイクロ波基地局装置を制御することにより、マイクロ波の通信エリアを拡大する。マイクロ波制御部１０９は、例えば、マイクロ波通信エリア内に含まれる1つ以上の端末の初期接続手続き及び認証、位置情報取得、マイクロ波通信エリアの移動管理、チャネル割当、送信電力制御、収容端末数又は通信量を各マイクロ波基地局装置及び小型基地局装置（ミリ波ＡＰ）に振り分ける負荷分散などの制御を行う。なお、マイクロ波制御部１０９は、マイクロ波ネットワークに属する端末（マルチバンド端末１０７）に対してミリ波ネットワークを二次利用させる場合、ミリ波制御部１０１との間で二次利用のための初期接続手続きなどの制御を行う。
マイクロ波ＧＷ１１１は、ルータ、ＮＡＴ、ＮＡＰＴなどの機能を備える。また、マイクロ波ＧＷ１１１は、更に、ＶＬＡＮ，ＶＰＮなどの仮想ネットワークを扱うための機能を備える。
なお、ルータは、マイクロ波制御部１０９、マイクロ波基地局装置１１０及び図示していない他のノードが接続されるマイクロ波ネットワーク（コアネットワーク）と、外部のＩＰ網１１３とを接続し、コアネットワーク内のノードから外部への通信又は外部からコアネットワーク内のノードへの通信を中継する機能を有する。
＜マルチバンド端末の説明＞
マルチバンド端末１０７は、ミリ波無線部１０７１とマイクロ波無線部１０７２とを備える。マルチバンド端末１０７は、ミリ波ＡＰのミリ波無線部との無線通信、及び、マイクロ波基地局装置との無線通信をそれぞれ独立して行うことができる。例えば、マルチバンド端末１０７は、マイクロ波通信エリア１１２内ではマイクロ波基地局装置１１０と無線通信を行い、移動によりミリ波通信エリア１０８に入ったことを検出した場合、ミリ波ＡＰ１０２と無線通信できる。
＜装置の動作＞
次に、上述した通信システム１０の各装置の動作について説明する。
以下の説明では、マルチバンド端末１０７はマイクロ波ネットワーク（コアネットワーク）に属するノードであって、マイクロ波制御部１０９がマルチバンド端末１０７の認証及び管理を行う。
また、本実施の形態では、ミリ波ネットワーク（ＬＡＮ１００）を設置及び運営する事業者と、マイクロ波ネットワークを設置及び運営する事業者との間では、ミリ波無線リソース（通信帯域幅、無線チャネル、通信エリア、ミリ波無線部、セクタ・ビーム、通信時間など）は、所定の優先度及び範囲内で二次利用（ミリ波ネットワークに属するノード以外のノードによる利用）することが予め取り決められている。なお、二次利用は、利用されたミリ波無線リソースに基づいて課金処理の対象としてもよい。
図３は、マルチバンド端末１０７がミリ波ネットワークの無線リソースを二次利用してミリ波ＡＰ１０２と接続し、マイクロ波ネットワークとの通信を行うシーケンスの一例を示す。図４Ａ〜図４Ｇは、図３に示す処理において用いられるフレームの構成例を示す。
なお、図３において、点線矢印はマイクロ波通信を表し、一点鎖線矢印はミリ波通信を表す。また、マイクロ波制御部１０９とミリ波制御部１０１との間の実線矢印はマイクロ波ネットワーク、マイクロ波ＧＷ１１１、ＩＰ網１１３、ミリ波ＧＷ１０４、ＬＡＮ１００を介した通信を表す。また、ミリ波制御部１０１とミリ波ＡＰ１０２との間の実線矢印はＬＡＮ１００を介した通信を表す。
各処理のステップ（以下「Ｓ」と表す）を順に説明する。
Ｓ２０１では、マルチバンド端末１０７及びマイクロ波制御部１０９は、マイクロ波通信エリア１１２内で初期接続、認証を行った後、マイクロ波データ通信を行う。図４Ａは、Ｓ２０１のマイクロ波データ通信に用いられるフレームの一例を示す。図４Ａに示すフレームは、宛先及び制御情報を含む「ヘッダ」、「端末ＩＤ」（端末ＩＤはヘッダに含まれてもよい）、「ペイロード」、誤り訂正などに用いられる「トレイラ」を含む。また、図４Ａのペイロード部は、マルチバンド端末１０７とマイクロ波制御部１０９との間で予め共有された暗号鍵Ａで暗号化されている。これにより、マルチバンド端末１０７とマイクロ波制御部１０９との間は、セキュアな通信である。
なお、図４Ａに示すフレームのヘッダ及びトレイラは、他のフレーム（図４Ｂ〜図４Ｇ）にも含まれる。以下の図４Ｂ〜図４Ｇの説明では、ヘッダ及びトレイラの説明を省略する。
Ｓ２０２では、マイクロ波制御部１０９は、Ｓ２０１の処理内容に基づいて、マルチバンド端末１０７の位置情報を取得する。例えば、マイクロ波制御部１０９は、受信電力、ＧＰＳ情報又はジャイロ情報などに基づいて、マルチバンド端末１０７がどのマイクロ波基地局装置に接続しているか、マルチバンド端末１０７がマイクロ波通信エリア内のどこに位置しているか等を示す情報を、マルチバンド端末１０７の位置情報として取得する。
Ｓ２０３では、マイクロ波制御部１０９は、Ｓ２０２で取得したマルチバンド端末１０７の位置情報に基づいて、マルチバンド端末１０７が存在する位置付近に、二次利用できるミリ波ネットワークがあるか否かを判定する。なお、マイクロ波通信エリアと二次利用できるミリ波通信エリアとの位置関係は、例えば、データベース等に予め登録されている。
例えば、マイクロ波制御部１０９は、まず、マルチバンド端末１０７の位置、通信量又は移動速度がミリ波ネットワークの利用に適しているか否かを判定する。そして、マイクロ波制御部１０９は、マルチバンド端末１０７がミリ波ネットワークの利用に適していないと判定した場合には、Ｓ２０１〜Ｓ２０３の処理を繰り返してマイクロ波通信を継続する。一方、マイクロ波制御部１０９は、マルチバンド端末１０７がミリ波ネットワークの利用に適していると判定した場合には、Ｓ２０４の処理に遷移する。
Ｓ２０４では、マイクロ波制御部１０９は、ミリ波制御部１０１に対して、マルチバンド端末１０７をミリ波ネットワークに接続するためにミリ波利用要求を行う。図４Ｂは、Ｓ２０４のミリ波利用要求に用いられるフレームの一例を示す。図４Ｂに示すフレームは、「利用要求」を示すデータ、ミリ波ネットワークを二次利用する端末の「端末ＩＤ」（マルチバンド端末１０７のＩＤ。例えばミリ波無線部１０７１のＭＡＣアドレスなどを用いてもよい）、ミリ波ネットワークを二次利用する端末の位置情報を示す「端末位置情報」を含む。
利用要求、端末ＩＤ及び端末位置情報を示すデータは、マイクロ波制御部１０９とミリ波制御部１０１との間で予め共有された暗号鍵Ｂで暗号化されている。これにより、マイクロ波制御部１０９とミリ波制御部１０１との間は、セキュアな通信である。
Ｓ２０４において、マルチバンド端末１０７によるミリ波ネットワークの利用要求を含む信号をマイクロ波制御部１０９から受信した後、Ｓ２０５では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０４において受け取ったデータに基づいて、ミリ波ネットワーク（ＬＡＮ１００）内の複数のミリ波ＡＰの無線リソースのうち、マルチバンド端末１０７に割り当てる無線リソース（二次利用可能な空き無線リソース）があるか否かを判定する。例えば、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０４で受け取った端末位置情報に示される端末位置にミリ波通信エリアを形成する、ミリ波無線部、セクタ、ビーム又は通信帯域に空きがあるか否か（ＬＡＮ１００のミリ波端末が占有していないか）等を、各ミリ波ＡＰに問い合わせ、空き無線リソースの有無を判定する。
図２に示す例では、ミリ波制御部１０１は、ミリ波ＡＰ１０２のミリ波無線部１０２３が空いており、マルチバンド端末１０７の位置情報から、ミリ波無線部１０２３が形成するミリ波通信エリア１０８の無線リソースをマルチバンド端末１０７に割り当てることができると判定する。
よって、ミリ波制御部１０１は、ミリ波通信エリア１０８の無線リソースを、マルチバンド端末１０７に割り当てる無線リソース（以下、「貸出リソース」と呼ぶこともある）として設定する。なお、ミリ波制御部１０１は、マルチバンド端末１０７に対して二次利用可能な無線リソースが無いと判定した場合には、後述するＳ２０８に相当するフレームを用いて、ミリ波利用不許可通知をマイクロ波制御部１０９に返す。
Ｓ２０６では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０５での判定結果に基づいて、マルチバンド端末１０７に割り当てられる無線リソース（二次利用可能な無線リソース）に対応するミリ波ＡＰ１０２に接続するための接続情報（以下、「貸出情報」と呼ぶこともある）を生成する。接続情報には、マルチバンド端末１０７が利用（接続）するミリ波ＡＰのＩＤを示す「貸出ＳＳＩＤ」、ミリ波ＡＰ１０２とマルチバンド端末１０７との間のミリ波通信に用いられる暗号鍵である「貸出鍵」、及び、マルチバンド端末１０７がミリ波ネットワークを介してマイクロ波ネットワークに接続するための仮想ネットワークを構築するための「ＶＬＡＮタグ（貸出ＶＬＡＮタグＩＤ）」が含まれる。
なお、マルチバンド端末１０７がミリ波ＡＰ１０２に接続するための接続情報（貸出情報）は、ミリ波ネットワークに属するミリ波端末がミリ波ＡＰ１０２に接続するための接続情報（ＳＳＩＤ、暗号鍵）とは異なる。すなわち、貸出ＳＳＩＤは、ミリ波ＡＰ１０２のＩＤであるＳＳＩＤとは別の仮想ＳＳＩＤとして生成される。また、接続するミリ波ＡＰ１０２のＭＡＣアドレスとは別に仮想ＭＡＣアドレスも生成される。また、貸出鍵は、ミリ波ネットワークにおいて使用される暗号鍵とは別の暗号鍵である。また、貸出ＶＬＡＮタグＩＤは、マルチバンド端末１０７からのデータをＬＡＮ１００に属するノードのデータとは分離させるために使用される。
すなわち、二次利用するための接続情報は、二次利用する端末専用に一時的（時限的）に設定され、かつ、ＬＡＮ１００内で用いられる接続情報とは独立したパラメータである。また、この接続情報には、二次利用する端末によるミリ波ネットワークの利用の有効期限が設定されてもよい。こうすることで、一度発行された接続情報を用いて二次利用によって接続され続けられ、ＬＡＮ１００の無線リソースが圧迫し続けることを防ぐことができる。
また、貸出情報の各パラメータの値は、発行される度に異なる値が設定されてもよい。
Ｓ２０７では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０６で生成した接続情報をミリ波ＡＰ１０２に通知する。
Ｓ２０８では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０６で生成した接続情報とミリ波利用許可とをマイクロ波制御部１０９に通知する。図４Ｃは、Ｓ２０８で用いられるフレームの一例を示す。図４Ｃに示すフレームは、「利用許可」を示すデータ、マルチバンド端末１０７に対して二次利用を許可するミリ波ＡＰ１０２に接続するための接続情報（貸出ＳＳＩＤ、貸出鍵、貸出ＶＬＡＮタグＩＤ）を含む。また、図４Ｃの利用許可を示すデータは、接続情報の有効期限や接続に用いる周波数チャネル番号を含んでもよい。利用許可を示すデータ及び接続情報は、暗号鍵Ｂで暗号化されている。これにより、ミリ波制御部１０１とマイクロ波制御部１０９との間は、セキュアな通信である。なお、利用許可及び接続情報のうち、利用許可は送信を省略してもよい。
Ｓ２０９では、マイクロ波制御部１０９は、Ｓ２０８で受信したミリ波利用許可及び接続情報を、マイクロ波基地局装置１１０を介してマルチバンド端末１０７に通知する。図４Ｄは、Ｓ２０９で用いられるフレームの一例を示す。図４Ｄに示すフレームに含まれるデータの内容はＳ２０８で用いられるフレーム（図４Ｃを参照）と同様である。ただし、図４Ｄに示すフレームに含まれるデータは暗号鍵Ａで暗号化される。これにより、マイクロ波基地局装置１１０とマルチバンド端末１０７との間は、セキュアな通信である。
Ｓ２１０では、ミリ波ＡＰ１０２は、Ｓ２０７で受信した接続情報に基づいて、マルチバンド端末１０７に割り当てる無線リソース（貸出リソース）を設定する。
Ｓ２１１では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２０４で受け取った端末位置情報に示されるマルチバンド端末１０７の位置情報に基づいて、ミリ波ＡＰ１０２の初期ビーム範囲を決定する。
ここで、従来（例えば、図１を参照）の基地局装置は、初期接続が確立する前の段階において、端末の存在する方向を判断する情報を持たないため、端末の存在する方向に指向性（ビーム）を向けて信号を送信することは困難である。このため、従来の基地局装置は、トレーニングパケットを用いたビームトレーニングを行なっていた（図１に示すＳ１６）。これに対して、本実施の形態では、マルチバンド端末１０７によるミリ波ネットワークの二次利用時の初期接続処理において、マルチバンド端末１０７の位置情報は、ミリ波制御部１０１に対して、予め通知されている（図３のＳ２０４）。このため、ミリ波制御部１０１は、マルチバンド端末１０７の位置情報に基づいて初期走査の範囲（初期ビーム範囲）を絞り込むことができる。すなわち、ミリ波制御部１０１は、マルチバンド端末１０７が存在する方向が、初期ビーム範囲に含まれるように制御すればよい。よって、本実施の形態によれば、マルチバンド端末１０７のミリ波電波の探索を迅速にすることができ、ミリ波電波の探索に要する時間（つまり、初期接続の確立に要する時間）を短縮することができる。
Ｓ２１２では、ミリ波制御部１０１は、Ｓ２１１で決定した初期ビーム範囲をミリ波ＡＰ１０２に通知する。Ｓ２１３では、ミリ波ＡＰ１０２は、Ｓ２１２で受信した初期ビーム範囲に基づいて、マルチバンド端末１０７を探索し接続するための初期ビーム（初期指向性）を設定し、マルチバンド端末１０７からの接続要求を待ち受ける。
Ｓ２１４では、マルチバンド端末１０７は、Ｓ２０９で受信した接続情報に基づいて、ミリ波ＡＰ１０２に対してミリ波接続要求を行う。図４Ｅは、Ｓ２１４で用いられるフレームの一例を示す。図４Ｅに示すフレームは、接続先のミリ波ＡＰ１０２のＩＤを示す貸出ＳＳＩＤ、マルチバンド端末１０７のＩＤを示す端末ＩＤ（貸出ＳＳＩＤ及び端末ＩＤはヘッダに含まれていてもよい）、及び、接続要求を示すデータを含む。
Ｓ２１５では、ミリ波ＡＰ１０２は、Ｓ２１３で受信したミリ波接続要求に対して、ミリ波接続許可をマルチバンド端末１０７に通知し、ミリ波通信の接続を確立する。これにより、マルチバンド端末１０７は、ミリ波ＡＰ１０２との間でミリ波通信を開始する。
Ｓ２１６では、マルチバンド端末１０７は、ミリ波ＡＰ１０２とミリ波データ通信を行う。図４Ｆは、Ｓ２１６で用いられるフレームの一例を示す。図４Ｆに示すフレームは、仮想ネットワークの貸出ＶＬＡＮタグＩＤ、及びペイロードを含む。貸出ＶＬＡＮタグＩＤ及びペイロードは貸出鍵で暗号化される。
なお、図４Ｆにおいて、ペイロードは、マルチバンド端末１０７とマイクロ波制御部１０９との間でやり取りされるデータであるので、マルチバンド端末１０７とマイクロ波制御部１０９との間で共有されている鍵Ａを用いて暗号化されてもよい。この場合、後述するＳ２１７でのペイロードの暗号化は不要となる。
Ｓ２１７では、ミリ波ＡＰ１０２は、ミリ波制御部１０１を介して、マイクロ波制御部１０９とＶＬＡＮ通信する。図４Ｇは、Ｓ２１７で用いられるフレームの一例を示す。図４Ｇに示すフレームに含まれるペイロードは、ミリ波制御部１０１とマイクロ波制御部１０９との間で共有されている鍵Ｂで暗号化される。なお、Ｓ２１６の処理でペイロード部が鍵Ａで暗号化されている場合には、Ｓ２１７においてペイロード部は鍵Ｂで暗号化されなくてもよい。
貸出ＶＬＡＮタグＩＤに基づく仮想ネットワークは、ＬＡＮ１００、ＩＰ網１１３上に構築されるため、ミリ波ネットワークを二次利用して通信されるデータと、ＬＡＮ１００に属するノード（ミリ波端末）のデータとは分離した通信が行われる。
Ｓ２１８では、ミリ波制御部１０１は、貸出リソースの有効期限（接続時間）に基づいて、貸出リソースの失効判定を行う。貸出リソースの有効期限が満了した場合、Ｓ２１９では、ミリ波制御部１０１は、ミリ波ＡＰ１０２に対して貸出ＳＳＩＤ及び貸出鍵の無効化を通知する。
Ｓ２２０では、ミリ波ＡＰ１０２は、Ｓ２１９において失効した貸出ＳＳＩＤに接続しているマルチバンド端末１０７とのミリ波接続を切断する処理を行う。これにより、ミリ波ＡＰ１０２及びマルチバンド端末１０７は、ミリ波ＡＰ１０２とミリ波ＡＰ１０２の無線リソースを二次利用しているマルチバンド端末１０７との間の接続に対して正常に切断処理を行うことができる。例えば、ミリ波ＡＰ１０２を二次利用中のマルチバンド端末１０７は、ミリ波ＡＰ１０２のミリ波エリアから離れ、貸出リソースの有効期限が満了した場合に、ミリ波ＡＰ１０２は、貸出情報によって接続されたマルチバンド端末１０７とのミリ波通信を切断できる。よって、ミリ波ＡＰ１０２は、一度発行された接続情報を用いて二次利用接続され続けられ、ＬＡＮ１００の無線リソースが圧迫され続けることを回避できる。
以上、通信システム１０の各装置の動作について説明した。
このようにして、本実施の形態では、ミリ波制御部１０１は、ミリ波ネットワーク（ＬＡＮ１００）に属するミリ波端末１０５間の公平性の制約条件の下、空いている無線リソースを有効活用するべく無線リソースの制御を実施する。
具体的には、ミリ波制御部１０１は、ミリ波ネットワークの二次利用の要求がある場合、二次利用可能な空きリソースを貸出リソースとして設定し、マイクロ波制御部１０９に通知する。こうすることで、通信システム１０では、ミリ波通信エリアを広げるために高密度に設置された複数のミリ波ＡＰのうち、ミリ波ネットワーク（ＬＡＮ１００）に属するノードが使用していない無線リソース（空きリソース）を効率的に二次利用できる。すなわち、ミリ波ネットワークを二次利用する場合、ミリ波制御部１０１は、ミリ波ネットワークの無線リソースの使用状況に応じて、マルチバンド端末１０７に割り当てる（貸し出す）無線リソースの制御を行うことができる。
また、ミリ波制御部１０１は、マルチバンド端末１０７に対してミリ波ネットワークの無線リソースを二次利用させる場合、ミリ波ネットワークに属するミリ波端末用の接続情報（ＳＳＩＤ/暗号鍵）とは異なる接続情報（貸出ＳＳＩＤ、貸出鍵、貸出ＶＬＡＮタグＩＤ）を発行する。すなわち、ミリ波制御部１０１は、二次利用において、一時的に使用可能な貸出情報を発行することにより、二次利用者を限定し、かつセキュアに通信できる。例えば、貸出情報が第三者に知られた場合、ミリ波ネットワークが二次利用される度に貸出情報の各パラメータの値が異なるので、正規ユーザ以外のユーザがミリ波ＡＰに接続することを防止できる。
また、ミリ波制御部１０１は、貸出リソースに対して有効期限を設定することによって、無線リソース（管理リソース）がリリースされないために、無線リソースの利用効率を低下させることを防止できる。
また、ミリ波制御部１０１は、二次利用に関する初期接続の確立時においてマルチバンド端末１０７の位置情報を用いて、ミリ波ＡＰ１０２の初期ビーム範囲を決定する。これにより、初期ビーム範囲の決定に要する時間、つまり、初期接続を確立するまでの時間を短縮できる。
以上のようにして、本実施の形態によれば、ミリ波ネットワークの無線リソースを他のネットワークに属する端末に二次利用させる場合に、無線リソースをセキュアにかつ効率良く割り当てることができる。また、本実施の形態によれば、二次利用時の初期接続を確立するまでの時間を短縮できる。よって、本実施の形態によれば、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しても利用効率を向上することができ、システム容量を増大できる。
なお、図３において、マルチバンド端末１０７は、Ｓ２０９で受け取るミリ波利用許可通知に、貸出リソースの有効期限（接続時間）が含まれる場合、Ｓ２１８のミリ波制御部１０１と同様にして貸出リソースの失効判定を行ってもよい。こうすることで、例えば、Ｓ２２０においてマルチバンド端末１０７がミリ波ＡＰ１０２からのミリ波通信切断指示を受け取れなかった場合でも、マルチバンド端末１０７において貸出リソースの失効を検出できるので、無線リソースがリリースされないことによる無線リソースの利用効率の低下を防止できる。
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示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開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
上記各実施形態では、本開示はハードウェアを用いて構成する例にとって説明したが、本開示はハードウェアとの連携においてソフトウェアでも実現することも可能である。
また、上記各実施形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。集積回路は、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックを制御し、入力と出力を備えてもよい。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサを用いて実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＬＳＩ内部の回路セルの接続又は設定を再構成可能なリコンフィギュラブル プロセッサ（Reconfigurable Processor）を利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩又は派生する別技術により,ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックを集積化してもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
＜本開示のまとめ＞
本開示のミリ波通信制御方法は、マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有する１つ以上のミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおけるミリ波通信制御方法であって、前記１つ以上のミリ波ネットワークを制御するミリ波通信制御装置において、前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれ、前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てる無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定し、前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の端末が前記割り当てられた無線リソースに対応するミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報のうち１つ以上を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が当該ミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる。
本開示のミリ波通信制御方法において、前記第１接続情報は、前記第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用の有効期限を含み、前記有効期限が満了した場合に、前記ミリ波通信制御装置において、前記第１接続情報に基づいて接続された前記ミリ波アクセスポイントと前記第１の端末との間のミリ波通信は、切断される。
本開示のミリ波通信制御方法において、前記第１接続情報は、前記第１端末が利用するミリ波アクセスポイントを示すＳＳＩＤ、前記第１端末と前記ミリ波アクセスポイントとの間のミリ波通信で使用される暗号鍵、及び、前記第１端末が前記ミリ波ネットワークを介して前記マイクロ波ネットワークに接続するための仮想ネットワークを示すＩＤのうち１つ以上を含む。
本開示のミリ波通信制御装置は、マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有する１つ以上のミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおける前記ミリ波ネットワークに属するミリ波通信制御装置であって、前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれる、受信部と、前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てる無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定する設定部と、前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の端末が前記割り当てられた無線リソースに対応するミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報のうち１つ以上を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が前記ミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる、送信部と、を備える。
本開示は、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 ＬＡＮ
１０１ ミリ波制御部
１０１１ 通信部
１０１２ 設定部
１０２、１０３ ミリ波アクセスポイント
１０２１、１０２２、１０２３、１０５１、１０７１ ミリ波無線部
１０４ ミリ波ゲートウェイ
１０５ ミリ波端末
１０６、１０８ ミリ波通信エリア
１０７ マルチバンド端末
１０７２ マイクロ波無線部
１０９ マイクロ波制御部
１１０ マイクロ波基地局装置
１１１ マイクロ波ゲートウェイ
１１２ マイクロ波通信エリア
１１３ ＩＰ網

Claims (4)

  1. マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有するミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおけるミリ波通信制御方法であって、
    前記ミリ波ネットワークを制御するミリ波通信制御装置において、
    前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれ、
    前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの１つ以上の無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てられる第１の無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定し、
    前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の無線リソースに対応する第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が前記第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる、
    ミリ波通信制御方法。
  2. 前記第１接続情報は、前記第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用の有効期限を含み、
    前記有効期限が満了した場合に、前記ミリ波通信制御装置において、前記第１のミリ波アクセスポイントに対して、前記第１接続情報の無効化を通知する、
    請求項１に記載のミリ波通信制御方法。
  3. 前記第１接続情報は、前記第１の端末のミリ波アクセスポイントを示すＳＳＩＤ、前記第１の端末と前記第１のミリ波アクセスポイントとの間のミリ波通信で使用される暗号鍵、及び、前記第１の端末が前記ミリ波ネットワークを介して前記マイクロ波ネットワークに接続するための仮想ネットワークを示すＩＤのうち１つ以上を含む、
    請求項１に記載のミリ波通信制御方法。
  4. マイクロ波ネットワークと、前記マイクロ波ネットワーク内に設置された１つ以上のミリ波アクセスポイントを有するミリ波ネットワークとを構成する通信システムにおける前記ミリ波ネットワークに属するミリ波通信制御装置であって、
    前記マイクロ波ネットワークに属する第１の端末による前記ミリ波ネットワークの利用要求を含む第１の信号を、前記マイクロ波ネットワークに属するマイクロ波通信制御装置から受信し、前記第１の信号には前記第１の端末の位置情報が含まれる、受信部と、
    前記第１の端末の位置情報に基づいて、前記１つ以上のミリ波アクセスポイントの１つ以上の無線リソースのうち、前記第１の端末に割り当てられる第１の無線リソース、及び、前記第１の端末に対するビーム範囲を設定する設定部と、
    前記ミリ波ネットワークの利用許可、及び、前記第１の無線リソースに対応する第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第１接続情報を前記マイクロ波通信制御装置に送信し、前記第１接続情報は、前記ミリ波ネットワークに属する第２の端末が前記第１のミリ波アクセスポイントに接続するための第２接続情報とは異なる、送信部と、
    を備えるミリ波通信制御装置。
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