特許 6861523 無線通信システム及び無線通信方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6861523

(24)【登録日】2021年4月1日

(45)【発行日】2021年4月21日

(54)【発明の名称】無線通信システム及び無線通信方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 7/06 20060101AFI20210412BHJP

   H04W 16/28 20090101ALI20210412BHJP

   H04B 7/10 20060101ALI20210412BHJP

   H01Q 3/26 20060101ALI20210412BHJP

   H01Q 3/38 20060101ALI20210412BHJP

【ＦＩ】

   H04B7/06 950

   H04W16/28

   H04B7/10 A

   H01Q3/26 Z

   H01Q3/38

   H01Q3/26 C

【請求項の数】2

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-11057(P2017-11057)

(22)【出願日】2017年1月25日

(65)【公開番号】特開2018-121190(P2018-121190A)

(43)【公開日】2018年8月2日

【審査請求日】2019年10月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001122

【氏名又は名称】株式会社日立国際電気

(73)【特許権者】

【識別番号】501440684

【氏名又は名称】ソフトバンク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(74)【代理人】

【識別番号】100155860

【弁理士】

【氏名又は名称】藤松 正雄

(72)【発明者】

【氏名】竹川 雅之

(72)【発明者】

【氏名】仲田 樹広

(72)【発明者】

【氏名】江島 暁

(72)【発明者】

【氏名】山口 良

(72)【発明者】

【氏名】吉野 仁

(72)【発明者】

【氏名】三上 学

(72)【発明者】

【氏名】宮下 真行

【審査官】 大野 友輝

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１５−５２３７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５３２８０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ ７／０６

Ｈ０１Ｑ ３／２６

Ｈ０１Ｑ ３／３８

Ｈ０４Ｂ ７／１０

Ｈ０４Ｗ １６／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基地局から特定又は不特定の端末局に宛てて信号を無線により送信する無線通信システムにおいて、
前記基地局は、前記端末局に宛てた信号を送信するためのビームを形成する処理を行うビーム形成手段と、前記ビーム形成手段の動作を制御するビーム制御手段とを備え、
前記ビーム制御手段は、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、当該端末局の方向に向けてビームを形成し、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、予め定められたエリアを分割した複数の分割エリアにそれぞれ対応した複数の幅広ビームを形成し、又は、前記幅広ビームよりも範囲が狭い狭小ビームを形成して前記エリアをスキャンすることで、前記エリアをカバーするよう制御し、
前記ビーム制御手段は更に、不特定の端末局に宛てた信号が同期信号である場合は、前記複数の幅広ビームで前記エリアをカバーし、不特定の端末局に宛てた信号が制御信号である場合は、前記狭小ビームのスキャンで前記エリアをカバーするよう制御し、
前記端末局は、同期信号の受信後に制御信号の復調処理を行い、復調処理の結果が正しくなく、且つ、制御信号の受信電力の方が同期信号の受信電力よりも小さかった回数をカウントし、当該回数が所定値を超えた場合に、誤同期と判断して同期信号を受信し直すことを特徴とする無線通信システム。

【請求項2】

特定又は不特定の端末局に宛てて信号を無線により送信する基地局と該信号を受信する端末局とにより行われる無線通信方法において、
前記基地局は、特定又は不特定の端末局に宛てた信号を送信するためのビームを形成する際に、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、当該端末局の方向に向けてビームを形成し、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、予め定められたエリアを分割した複数の分割エリアにそれぞれ対応した複数の幅広ビームを形成し、又は、前記幅広ビームよりも範囲が狭い狭小ビームを形成して前記エリアをスキャンすることで、前記エリアをカバーするよう制御し、
前記基地局は更に、不特定の端末局に宛てた信号が同期信号である場合は、前記複数の幅広ビームで前記エリアをカバーし、不特定の端末局に宛てた信号が制御信号である場合は、前記狭小ビームのスキャンで前記エリアをカバーするよう制御し、
前記端末局は、同期信号の受信後に制御信号の復調処理を行い、復調処理の結果が正しくなく、且つ、制御信号の受信電力の方が同期信号の受信電力よりも小さかった回数をカウントし、当該回数が所定値を超えた場合に、誤同期と判断して同期信号を受信し直すことを特徴とする無線通信方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送信ビーム形成を利用した無線通信に関し、特に、基地局において形成するビームの形状及び方向を対象とする信号種別毎に変化させ、最適なビーム形成利得を得るためのビーム制御に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の情報化社会の進展は実に目覚しく、多くの情報通信機器やサービスにおける通信方法として、有線通信のほかに、無線通信が利用されることも多くなっている。これに伴い、無線通信容量の向上のために、各種の無線伝送技術の開発による周波数利用効率の向上のほか、これまで主に無線通信に利用されてきたＵＨＦ帯など６ＧＨｚ以下の周波数帯に加え、ミリ波帯等の高周波数帯を利用した移動通信システムの研究開発が活発化している。

【0003】

ミリ波等の高周波数帯を利用する無線通信システムでは、ＵＨＦ帯等の周波数帯に比較して伝搬損失が大きくなり、同一の送信出力・同一距離の伝搬であっても受信ＳＮＲ（Signal-to-Noise Ratio；信号対雑音比）が低下する。これに対し、ビーム形成（送信ビーム形成及び受信ダイバーシチ合成）により受信ＳＮＲを確保する技術が有効であるが、移動通信システムにおいては送信機（例えば、基地局）と受信機（例えば、基地局に接続する移動機）の位置関係が固定されていない。また、現状のモバイル通信システムでは、１つの基地局に対して複数の移動機が接続される。このため、無線リンクの確立に必要な同期信号や、報知チャネル等の新規参入する移動機を含めて共通して参照される制御信号を伝送する場合は、基地局が特定の移動機の方向に鋭いビームを形成するのではなく、当該基地局がカバーするエリア全体に対して十分なＳＮＲを確保できるよう、広い範囲に信号を到達させる必要がある。しかしながら、単純にオムニアンテナで送信してしまうとアンテナ利得が低く、ＳＮＲが確保できない場合も多い。

【0004】

このような技術分野に関する発明として、以下のような発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、水平ビームの形成単位となる複数のアンテナ素子で構成される水平用アンテナ素子列と、垂直ビームの形成単位となる複数のアンテナ素子で構成される垂直用アンテナ素子列とを有し、同一の水平用アンテナ素子列を構成する複数のアンテナ素子、又は同一の垂直用アンテナ素子列を構成する複数のアンテナ素子にそれぞれ対応する参照信号に同一のアンテナポートを割当てる無線基地局が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１４／０３８３４７号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の通り、高周波数帯を利用した無線通信システムでは、送信側でビーム形成により利得を増大させなければ受信機において十分なＳＮＲを確保できないケースが発生するが、同期信号や制御信号等の共通信号は、特定の移動機の方向へ鋭いビームを形成すると、異なる位置にある他の移動機においては、十分なＳＮＲを確保できないことになる。また、共通信号の中でも、同期信号は情報量が少ないため、受信機側で信号の周期性（自己相関）やマッチドフィルタ（相互相関）を利用した受信処理によりＳＮＲを改善することができるが、制御信号は制御データの復調が必要となり、所要ＳＮＲが高くなるなどの違いも発生する。

【0007】

本発明は、上記のような従来の事情に鑑み、送信する相手を特定することのできない同期信号や制御信号などの共通信号に対しても、ビームを形成して受信ＳＮＲを確保しつつ、広いエリアをカバーできるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明では、上記目的を達成するために、無線通信システムを以下のように構成した。
すなわち、基地局から特定又は不特定の端末局に宛てて信号を無線により送信する無線通信システムにおいて、基地局は、端末局に宛てた信号を送信するためのビームを形成する処理を行うビーム形成手段と、ビーム形成手段の動作を制御するビーム制御手段とを備える。ビーム制御手段は、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、当該端末局の方向に向けてビームを形成し、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、予め定められたエリアをカバーするビームを形成するよう制御する。

【0009】

このような構成により、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合だけでなく、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合にも、ビーム形成が行われる。したがって、送信する相手を特定することのできない同期信号や制御信号などの共通信号に対しても、ビームを形成して送信することで、受信ＳＮＲを確保しつつ、広いエリアをカバーすることができる。

【0010】

ここで、一構成例として、ビーム制御手段は、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合に、前記エリアを分割した複数の分割エリアにそれぞれ対応した複数の幅広ビームを形成し、又は、幅広ビームよりも範囲が狭い狭小ビームを形成して前記エリアをスキャンすることで、前記エリアをカバーするよう制御する構成にしてもよい。

【0011】

また、一構成例として、ビーム制御手段は、不特定の端末局に宛てた信号が同期信号である場合は、複数の幅広ビームで前記エリアをカバーし、不特定の端末局に宛てた信号が制御信号である場合は、狭小ビームのスキャンで前記エリアをカバーするよう制御する構成にしてもよい。

【0012】

また、一構成例として、端末局は、同期信号の受信後に制御信号の復調処理を行い、復調処理の結果が正しくなく、且つ、制御信号の受信電力の方が同期信号の受信電力よりも小さかった回数をカウントし、当該回数が所定値を超えた場合に、誤同期と判断して同期信号を受信し直す構成としてもよい。

【0013】

なお、本発明は、上記のような無線通信システムを構成する基地局の発明として把握することもできる。
また、本発明は、上記の基地局によるビーム制御方法の発明として把握することもできる。すなわち、特定又は不特定の端末局に宛てて信号を無線により送信する基地局によるビーム制御方法において、基地局は、特定又は不特定の端末局に宛てた信号を送信するためのビームを形成する際に、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、当該端末局の方向に向けてビームを形成し、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、予め定められたエリアをカバーするビームを形成する。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、送信する相手を特定することのできない同期信号や制御信号などの共通信号に対しても、ビームを形成して受信ＳＮＲを確保しつつ、広いエリアをカバーすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る無線通信システムによって形成される幅の広いビームを説明する図である。

【図2】本発明に係る無線通信システムによって形成される幅の狭いビームを説明する図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成の例を示す図である。

【図4】図３の無線通信システムにおけるＢＳ（基地局）の構成例を示す図である。

【図5】図４のＢＳにおけるＢＢ信号処理部の構成例を示す図である。

【図6】図３の無線通信システムにおけるＵＥ（端末局）の構成例を示す図である。

【図7】図６のＵＥにおけるＢＢ信号処理部の構成例を示す図である。

【図8】図３の無線通信システムが通信に使用する下りリンクの無線フレームフォーマットの例を示す図である。

【図9】図４のＢＳによるビーム制御処理に係るフローの例を示す図である。

【図10】図６のＵＥによるリンクアップ処理に係るフローの例を示す図である。

【図11】図６のＵＥによる制御信号受信処理に係るフローの例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

本発明に係る無線通信システムは、一例として、以下のように構成される。
すなわち、本発明に係る無線通信システムは、無線通信を行う無線通信装置である基地局と端末局とを含んで構成され、ビーム形成を利用して無線通信を行う。基地局の送信機は、ビーム形成を行いながら無線通信を行うために複数の送信アンテナ及び複数の送信ＲＦチェーンならびに一つ以上のベースバンド信号処理部を備える。また、基地局の送信機は、移動する端末局の方向に向けてビームを形成する機能と、予め定められた範囲をカバーするビームを形成する機能とを備える。
そして、基地局は、特定の端末局に対する情報については、端末局の方向に向けたビームを形成して送信し、端末局を特定せずに送信する共通信号（同期信号や制御信号など）については、予め定められた範囲をカバーできるビームを形成して送信する。このように、送信する相手を特定しない共通信号に対してもビーム形成を行うようにする。

【0017】

ここで、基地局は、共通信号のうちの同期信号に対しては、基地局からの電波が届くカバーエリア（以下、「基地局エリア」という）を数個に分割する程度の広い幅のビームを複数形成することで、基地局エリア全体に信号を到達させる。図１に示す例では、原点付近の９０°と２７０°を結ぶ直線上にある基地局のアンテナにより、４つの幅広ビームＢ１−１〜Ｂ１−４が形成されている。幅広ビームＢ１−１〜Ｂ１−４は、一般的なセクタに相当する１２０°（６０°〜３００°）の範囲の基地局エリアＲを略４分割するサイズ（約３０°の範囲をカバーするサイズ）になっている。すなわち、基地局エリアＲを分割した複数の分割エリアにそれぞれ対応した複数の幅広ビーム（Ｂ１−１〜Ｂ１−４）を形成することで、基地局エリアＲをカバーする。本例の基地局エリアＲは、従来のセクタ、つまり動的に指向性を変更しないアンテナによって形成されるサービスエリアの最小単位に相当する。従来のＬＴＥ技術におけるセクタは、セクタに分割されないオムニセル同様、セルＩＤ（ＬＣＩＤ）によって一意に区別され、また、端末局が同一基地局の異なるセクタを跨いで移動する際には、何らかのＲＲＣシグナリングを必要とする。

【0018】

また、基地局は、共通信号のうちの制御信号に対しては、幅の狭いビームを形成して利得を上げると共にビームスキャンを行うことで、基地局エリア全体に信号を到達させる。図２に示す例では、幅広ビームＢ１−１〜Ｂ１−４よりも狭い幅の狭小ビームＢ２を形成し、基地局エリアＲの全体に亘ってビームスキャンしている。すなわち、幅広ビーム（Ｂ１−１〜Ｂ１−４）よりもカバー範囲が狭い狭小ビーム（Ｂ２）を形成して基地局エリアＲをスキャンすることで、基地局エリアＲをカバーする。

【0019】

このような構成によれば、不特定の端末局に対する同期信号や制御信号であっても、基地局エリアをカバーするようにビーム形成して送信することができ、基地局エリア全体での受信ＳＮＲを向上させることが可能となる。
以下、本発明の一実施形態に係る無線通信システムについて、図面を参照して具体的に説明する。

【0020】

（無線通信システムの概要）
図３には、本発明の一実施形態に係る無線通信システムの全体構成の例を示してある。本実施形態に係る無線通信システム１は、ビーム形成を利用して無線通信を行う。
図３に示されるように、無線通信システム１は、携帯電話機等の無線通信を行う端末局であるＵＥ２０〜２４と、これらの端末局（ＵＥ２０〜２４）が接続する基地局であるＢＳ１０とを含んで構成される。

【0021】

ここで、ＢＳ１０とＵＥ２０〜２４との間の無線通信は、たとえばＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；直交周波数分割多重）伝送など任意の通信方式によって行われる。ＢＳ１０は少なくとも下り送信用に複数のミリ波アンテナを具備し、下り送信時にアンテナへ供給する送信信号の位相や振幅を制御することで、ＵＥ２０〜２４の位置を含む任意の方向に向けた送信ビームを形成する。

【0022】

（ＢＳ１０の具体的構成）
以下、図４及び図５を参照して、ＢＳ１０の具体的な構成について説明する。
図４には、図３の無線通信システムにおけるＢＳ１０の構成例を示してある。図４に示すように、ＢＳ１０は、電波の送受信を行うアンテナ１０１〜１０４と、データの送受信を行うデータ伝送部１０５と、自局全体の制御を行う主制御部１０６と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部１０７と、外部回線や外部装置と接続するための端子１０８とを備える。

【0023】

アンテナ１０１〜１０４は、例えばパッチアンテナ等であり、比較的緩やかな指向性を有することができる。またアンテナ１０１〜１０４は、それらを単一平面上に設けるなどして指向性を同一の方向に向けて設置することができる。
データ伝送部１０５は、ＲＦ部１１１〜１１４と、ベースバンド（ＢＢ）信号処理部１１５と、ＭＡＣ処理部１１６とを備える。
ＲＦ部１１１〜１１４は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換及び無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。

【0024】

ＢＢ信号処理部１１５は、その構成例を図５に示すように、送信ＢＢ部１３１と、受信ＢＢ部１３２とを備える。
送信ＢＢ部１３１は、チャネル符号化部１４１と、ＯＦＤＭ変調部１４２と、ビームフォーミング（ＢＦ）処理部１４３〜１４６と、ビーム制御部１４７とを備える。
受信ＢＢ部１３２は、ＯＦＤＭ復調部１５１と、チャネル復号部１５２とを備え、チャネル復号部１５２からＵＥの到来方向推定結果をビーム制御部１４７へ通知する。このＵＥの到来方向推定結果は、ＵＥにおいて到来方向推定を行った結果を上り回線を通じてＢＳへと伝送されたものであり、詳細についてはＵＥ２０〜２４の具体的構成の中で説明する。

【0025】

ビーム制御部１４７は、次に送信しようとする信号の種別に応じたビーム制御情報を生成し、ＢＦ処理部１４３〜１４６に対して通知する。具体的には、次に送信する信号が、特定のＵＥに宛てた信号である場合には、チャネル復号部１５２から受け取ったＵＥの到来方向推定結果に基づき、ＵＥ２０〜２４に送信される信号についてＵＥ２０〜２４の位置における利得を最大化するビームを形成するためのビーム制御情報を生成する。また、次に送信する信号が、同期信号や制御信号などの共通信号である場合には、予め定められたエリアをカバーできるビーム（幅広ビーム、狭小ビーム）を形成するためのビーム制御情報を生成する。ビーム制御情報は、例えば、各ＢＦ処理部に通知する振幅と位相のセットであり、ステアリング・ベクトルなどと呼ばれる。利得を最大化するビームについては、対象のＵＥに向けて伝搬する平面波を形成するような共相条件を満たし、一様励振を基本としたものとすることができる。狭小ビームや幅広ビームのビーム制御情報は、例えば、共相条件などを最適状態から変更することで得られ、励振されるアンテナの数を減らすことによっても実現されうる。アンテナの数が少なく、利得最大化ビームがあまり鋭くなければ、利得最大化ビームと狭小ビームは同じで良い。ビーム形成を行わない場合、１の振幅及び０度の位相を示すビーム制御情報を、各ＢＦ処理部１４３〜１４６に通知することができる。なお、特定のＵＥに向けて形成するビームは、利得最大化基準によるものに限らず、後述のアンテナ毎参照信号に応じた各種の周知のアルゴリズムを用いて形成されうる。

【0026】

ＢＦ処理部１４３〜１４６は、ビーム制御部１４７から通知されたビーム制御情報に基づいて、アンテナ１０１〜１０４からそれぞれ放射される電波を合成した結果としてビームが形成されるよう、送信信号の位相及び振幅を操作する。ＢＦ処理部１４３〜１４６は一例として、複素乗算器や、プログラマブルな非整数遅延を実現するＦＩＲフィルタによって構成されうる。或いは、ＯＦＤＭ変調部１４２において符号がサブキャリアにマッピングされる前に、サブキャリア単位或いはサブキャリア単位で位相及び振幅を操作してもよい。
ＭＡＣ処理部１１６は、自局（ＢＳ１０）が使用する周波数やデータ送受信タイミングの制御、通信パケットへの自局識別子の付加、及びデータ送信元の無線装置の認識などの処理を行う。

【0027】

主制御部１０６は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することが可能である。また、ＢＢ信号処理部１１５、ＭＡＣ処理部１１６における処理は、例えば、主制御部１０６のプロセッサがハードディスクやフラッシュメモリ等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

【0028】

（ＵＥ２０〜２４の具体的構成）
以下、図６及び図７を参照して、ＵＥ２０〜２４の具体的な構成について説明する。
図６には、図３の無線通信システムにおけるＵＥ２０〜２４の構成例を示してある。図６に示すように、ＵＥ２０〜２４は、電波を送信及び受信するアンテナ２０１と、データの送受信を行うデータ伝送部２０２と、自局全体の制御を行う主制御部２０３と、外部回線や外部装置とのインターフェースとなるインターフェース部２０４と、外部回線や外部装置と接続するための端子２０５とを備える。

【0029】

データ伝送部２０２は、ＲＦ部２１１と、ベースバンド（ＢＢ）信号処理部２１２と、ＭＡＣ処理部２１３とを備える。
ＲＦ部２１１は、ベースバンドから無線周波数帯への周波数変換及び無線周波数帯からベースバンドへの周波数変換や、信号増幅等の処理を行う。

【0030】

ＢＢ信号処理部２１２は、その構成例を図７に示すように、送信ＢＢ部２２１と、受信ＢＢ部２２２とを備える。
送信ＢＢ部２２１は、チャネル符号化部２３１と、ＯＦＤＭ変調部２３２とを備える。
受信ＢＢ部２２２は、ＯＦＤＭ復調部２４１と、チャネル復号部２４２と、到来方向推定部２４３とを備える。

【0031】

到来方向推定部２４３は、チャネル復号部２４２及びＯＦＤＭ復調部２４１により処理された信号に基づいて、基地局から送信されて端末局で受信された電波の伝搬特性からその電波の到来方向を推定し、推定結果を送信ＢＢ部２２１へ通知する。この到来方向推定処理は、例えば、ＢＳ１０が、自身の具備する各アンテナを識別することができるアンテナ毎参照信号を送信し、ＵＥ２０が、ＢＳ１０から受信した電波及びアンテナ毎参照信号に基づいて、ＢＳ１０の各アンテナ１０１〜１０４とＵＥ２０のアンテナ２０１との間の伝搬特性を取得することで実現することが可能である。アンテナ毎参照信号は空間変調技術を用いて送信することができ、そこではＯＦＤＭシンボル中のあるサブキャリアは、ある１つのアンテナに割り当てられて送信される。この方法では各アンテナから少なくとも１回（１シンボル）参照信号を受信すれば、到来方向が推定できるが、所定の受信ＳＮＲを満たすために必要であれば、所定の頻度で繰り返し送信される参照信号を複数利用して、推定を行うことができる。なお、アンテナ毎参照信号は、到来方向の推定が可能であればよく、他の周知のチャネルサウンディング手法やＣＤＳ（Cyclic Shift Diversity）を用いて送信してもよい。
到来方向推定部２４３の推定結果を受け取った送信ＢＢ部２２１は、ＢＳ１０に向けて到来方向推定結果を送信する。

【0032】

ＭＡＣ処理部２１３は、自局（ＵＥ２０〜２４）が使用する周波数チャネルやデータ送受信タイミングの制御、パケットへの自局識別子の付加、及びデータ送信元の無線装置の認識等の処理を行う。

【0033】

主制御部２０３は、例えば、プロセッサとメモリ上に定義されたデータ記憶領域とソフトウェアで構成することも可能である。また、ＢＢ信号処理部２１２、ＭＡＣ処理部２１３における処理は、例えば、主制御部２０３のプロセッサがハードディスク等のデータ記憶装置に記憶されているプログラムをメモリ上に読み出して実行することにより実現することが可能である。

【0034】

（ビーム制御部が信号種別によってビーム形状を切り替える例）
以下、図８及び図９を参照して、ＢＳ１０がＵＥ２０に対して下りデータを伝送する際に送信側のビームを制御する例について説明する。
図８には、無線通信システム１が通信に使用する下りリンクの無線フレームフォーマットの例を示してある。下りリンク無線フレームは、同期信号３１１、制御信号３１２、アンテナ毎参照信号３１３、復調用参照信号３１４、データ信号３１５で形成される。

【0035】

同期信号３１１は、ＢＳ１０から送信され、基地局エリア内に存在するＵＥ２０〜２４において、無線フレームの同期を行うために使用される。
制御信号３１２は、ＢＳ１０から送信され、基地局エリア内に存在するＵＥ２０〜２４に対し、データの有無や送信許可などの制御情報を伝送するために使用される。ＵＥ２０〜２４の方向が不明のときには、制御信号３１２は、同じフレームの同期信号３１１に適用された幅広ビームの範囲内の狭小ビームによって送信することができる。
アンテナ毎参照信号３１３は、ＢＳ１０から送信され、基地局エリア内に存在するＵＥ２０〜２４において、到来方向推定部２４３での到来方向推定処理に使用される。
復調用参照信号３１４は、ＢＳ１０から送信され、特定の宛先（例えば、ＵＥ２０）において、ＯＦＤＭ復調部２４１での復調処理における基準信号として使用される。
データ信号３１５は、ＢＳ１０から送信され、特定の宛先（例えば、ＵＥ２０）に宛てたデータを伝送するために使用される。
同期信号３１１から復調用参照信号３１４は、ＢＳ１０とＵＥ２０の双方において既知であるか、或いは、所定の規則によって生成される信号である。
各信号の配置や順番は、図８に示されるものに限定されないが、同期信号３１１、制御信号３１２、及びアンテナ毎参照信号３１３は、フレームの先頭付近に集めて配置することが望ましい場合がある。

【0036】

ＢＳ１０の送信ビームは、データ伝送部１０５において、ビーム制御部１４７の制御に基づき、ＢＦ処理部１４３〜１４６により形成される。ビーム制御部１４７は、図９に示すフローに沿ったビーム制御処理を行うことで、ＢＦ処理部１４３〜１４６に対する制御を実行する。
まず初めに、ステップＳ１０１として、ＵＥの方向（到来方向推定結果）を取得する。次いで、ステップＳ１０２として、次に送信しようとする信号の種別を判定する。

【0037】

次に送信する信号が同期信号３１１の場合は、ステップＳ１０３として、図１に示したような幅広ビームを形成するよう制御するためのビーム制御信号を生成する。一例として、幅広ビームを１乃至複数のフレーム毎に巡回的に変更する様態で、エリア全体をスキャンするように、ビーム制御信号を生成することができる。
次に送信する信号が制御信号３１２の場合は、ステップＳ１０４として、図２に示したような狭小ビームを形成し、エリア全体をスキャンするよう制御するためのビーム制御信号を生成する。狭小ビームのスキャンは、幅広ビームのスキャンに依存又は独立して行うことができるが、所定の期間内に少なくとも１回、エリア全体の均一なスキャンが行われることが望ましい場合がある。幅広ビームのスキャンに依存する様態では、狭小ビームは、そのフレームの同期信号の送信に適用された幅広ビームの範囲内で設定される。なお特定のＵＥのみが受信できればよい制御信号については、スキャンの規則性とは無関係に、その特定のＵＥに向けた狭小ビームを形成することができる。
次に送信する信号がアンテナ毎参照信号３１３の場合は、ステップＳ１０５として、意図的なビームを形成しないよう制御するためのビーム制御信号を生成する。
次に送信する信号が復調用参照信号３１４又はデータ信号３１５の場合は、ステップＳ１０６として、ステップＳ１０１で取得したＵＥの方向に指向性が向いたビームを形成するよう制御するためのビーム制御信号を生成する。
最後に、ステップＳ１０７として、次に送信する信号に応じて生成したビーム制御信号をＢＦ処理部１４３〜１４６に通知する。

【0038】

これにより、受信機側で信号の周期性（自己相関）やマッチドフィルタ（相互相関）を利用した受信処理によりＳＮＲを改善できる同期信号に対しては、幅広ビームを複数形成することで、基地局エリア全体に信号を到達させることができる。また、制御信号に対しては、狭小ビームを形成して利得を上げると共にビームスキャンを行うことで、基地局エリア全体に信号を到達させることができる。したがって、不特定の端末局に対する同期信号や制御信号であっても、受信ＳＮＲを確保しつつ広いエリアをカバーすることが可能となる。

【0039】

これらの一連の処理は定期的に繰り返され、ＢＳ１０から送信される復調用参照信号３１４及びデータ信号３１５は、ＵＥ２０〜２４の移動（ＵＥ方向の変化）に追従したビーム形成（ビーム追尾）により送信される。

【0040】

（端末局が信号強度によってリンクを制御する例）
以下、図１０及び図１１を参照して、ＵＥ２０がＢＳ１０とのリンク確立を制御する例について説明する。
ＵＥ２０は、データ伝送部２０２において、ＢＳ１０の送信する下りリンク無線信号を受信し、図１０に示すフローに沿ったリンクアップ処理を行うことで、自局のリンク状態を制御する。

【0041】

まず初めに、ステップＳ２０１として、同期信号の受信を試みる。次いで、ステップＳ２０２として、同期信号を受信できたかどうかを判定する。同期信号を受信できなかった場合は、再度ステップＳ２０１を実行する。同期信号を受信できた場合は、ステップＳ２０３として、図１１に示すフローに沿った制御信号受信処理を行う。一旦同期信号の受信によりフレーム同期が確立されると、各フレームで常に同期信号を受信できなくても同期は維持され、制御信号等の復調が可能となる。

【0042】

制御信号受信処理では、まず初めに、ステップＳ３０１として、制御信号の復調を実行する。次いで、ステップＳ３０２として、復調結果が正しかったかどうかを判定する。例えば、制御信号にＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）などの誤り検出信号を付加することで誤りを検出する手法を用いることができる。

【0043】

制御信号の復調結果が正しかった場合は、ステップＳ３０７として、戻り値として「制御信号受信成功」を返して制御信号受信処理を終了する。制御信号の復調結果が正しくなかった場合は、ステップＳ３０３として、同期信号と制御信号の受信電力を比較する。ここで同期信号の受信電力とは、過去の複数回の受信における最大値、又は上位の数個の平均値等であり、制御信号と比較可能となるように適宜正規化が為されるものとする。ＢＳ１０では、同期信号を利得の低い幅広ビームで送信し、制御信号を利得の高い狭小ビームで送信するので、正しいフレーム検出を行うことができれば、エリアスキャン周期内に少なくとも１回は制御信号の受信電力が同期信号の受信電力より大きくなる場合が発生する。

【0044】

制御信号の受信電力が同期信号の受信電力より大きかった場合は、ステップＳ３０１に戻り、後続の制御信号を用いて復調処理をやり直す。制御信号の受信電力が同期信号の受信電力より小さかった場合は、ステップＳ３０４として、制御信号の不検出カウンタをカウントアップする。次いで、ステップＳ３０５として、不検出カウンタのカウント値が所定の回数（例えば、制御信号のスキャン周期）をオーバーしたかどうかを判定する。

【0045】

不検出カウンタのカウント値がオーバーしていない場合は、ステップＳ３０１に戻り、制御信号の復調処理を行う。不検出カウンタのカウント値がオーバーしていた場合は、同期信号より制御信号が強くなることがないので誤同期と判断し、ステップＳ３０６として、戻り値として「制御信号受信失敗」を返して制御信号受信処理を終了する。

【0046】

制御信号受信処理が終了すると、図１０の処理フローに戻り、ステップＳ２０４として、制御信号受信が成功したか判定する。制御信号受信が失敗した場合は、ステップＳ２０１に戻る。制御信号受信が成功した場合は、ステップＳ２０５として、リンク確立状態へ移行し、リンクアップ処理を終了する。

【0047】

（まとめ）
以上のとおり、本実施形態によれば、特定の端末局に向けた信号だけでなく、不特定の端末局に向けた共通信号を送信する際にもビームを形成することが可能となる。また、各信号に対してビーム形成を行う際のビーム幅の違いから、誤同期回避やリンク制御を行うことが可能となる。

【0048】

ここで、本実施形態では、ＢＦ処理部１４３〜１４６が本発明に係るビーム形成手段に、ビーム制御部１４７が本発明に係るビーム制御部に対応している。
すなわち、基地局（ＢＳ１０）は、端末局（ＵＥ２０〜２４）に宛てた信号を送信するためのビームを形成する処理を行うＢＦ処理部１４３〜１４６と、ＢＦ処理部１４３〜１４６の動作を制御するビーム制御部１４７とを備える。そして、ビーム制御部１４７は、特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、当該端末局の方向に向けてビームを形成し、不特定の端末局に宛てた信号を送信する場合は、基地局エリアＲをカバーするビームを形成するようにＢＦ処理部１４３〜１４６を制御する構成となっている。

【0049】

より具体的には、ビーム制御部１４７は、不特定の端末局に宛てた信号が同期信号である場合は、基地局エリアＲを分割した複数の分割エリアにそれぞれ対応した複数の幅広ビームＢ１−１〜Ｂ１−４を形成することで、基地局エリアＲをカバーするように、ＢＦ処理部１４３〜１４６を制御する。また、ビーム制御部１４７は、不特定の端末局に宛てた信号が制御信号である場合は、幅広ビームＢ１−１〜Ｂ１−４よりも範囲が狭い狭小ビームＢ２を形成して基地局エリアＲをスキャンすることで、基地局エリアＲをカバーするように、ＢＦ処理部１４３〜１４６を制御する。

【0050】

また、端末局（ＵＥ２０〜２４）は、同期信号の受信後に制御信号の復調処理を行い、復調処理の結果が正しくなく、且つ、制御信号の受信電力の方が同期信号の受信電力よりも小さかった回数をカウントし、当該回数が所定値を超えた場合に、誤同期と判断して同期信号を受信し直す構成となっている。

【0051】

なお、本実施形態では、基地局は４つのアンテナを備えた例を示したが、求められる指向性の鋭さに応じて、より多い又は少ない数のアンテナを備えてもよい。また、各アンテナは、複数のアンテナ素子を並べたアンテナアレーであってもよく、それぞれのメインビームの指向性が電気的に可変できるものであってもよい。
また、基地局から共通信号を送信する場合に、一般的なセクタに相当する１２０°の範囲をカバーするようにビームを形成する例を示したが、より広い又は狭い範囲をカバーするようにビームを形成してもよい。

【0052】

また、共通信号の例として同期信号及び制御信号を示したが、不特定の端末局に宛てた他の種別の共通信号を送信する際にも、基地局エリアをカバーするようにビームを形成してもよい。この場合に、複数の幅広ビームで基地局エリアをカバーする構成とするか、狭小ビームによるスキャンで基地局エリアをカバーする構成とするかは、送信する共通信号の用途や役割に応じて選択すればよい。
また、共通信号のうちの同期信号を送信する場合に、各々が約３０°の範囲をカバーする４つの幅広ビームを形成する例を示したが、幅広ビームの本数及び各ビームのカバー範囲は、これに限定されない。

【0053】

なお、本発明の範囲は、図示及び記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。更に、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

【産業上の利用可能性】

【0054】

本発明は、第５世代移動通信等の無線アクセスシステム、近距離若しくは室内での高精細映像伝送、レーダ技術を応用した片方向若しくは双方向の通信等に利用することができる。

【符号の説明】

【0055】

１：無線通信システム、 １０：ＢＳ、 ２０〜２４：ＵＥ、
１０１〜１０４：アンテナ、 １０５：データ伝送部、 １０６：主制御部、 １０７：インターフェース部、 １０８：端子、 １１１〜１１４：ＲＦ部、 １１５：ＢＢ信号処理部、 １３１：送信ＢＢ部、 １３２：受信ＢＢ部、 １４１：チャネル符号化部、 １４２：ＯＦＤＭ変調部、 １４３〜１４６：ＢＦ処理部、 １４７：ビーム制御部、 １５１：ＯＦＤＭ復調部、 １５２：チャネル復号部、
２０１：アンテナ、 ２０２：データ伝送部、 ２０３：主制御部、 ２０４：インターフェース部、 ２０５：端子、 ２１１：ＲＦ部、 ２１２：ＢＢ信号処理部、 ２１３：ＭＡＣ処理部、 ２２１：送信ＢＢ部、 ２２２：受信ＢＢ部、 ２３１：チャネル符号化部、 ２３２：ＯＦＤＭ変調部、 ２４１：ＯＦＤＭ復調部、 ２４２：チャネル復号部、 ２４３：到来方向推定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】