特許 7624661 無線通信方法、無線通信システム、基地局装置、および中継装置

(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】

(24)【登録日】2025-01-23

(45)【発行日】2025-01-31

(54)【発明の名称】無線通信方法、無線通信システム、基地局装置、および中継装置

(51)【国際特許分類】

   H04W 16/26 20090101AFI20250124BHJP

   H04W 16/28 20090101ALI20250124BHJP

   H04W 64/00 20090101ALI20250124BHJP

【ＦＩ】

H04W16/26

H04W16/28

H04W64/00 120

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021209641

(22)【出願日】2021-12-23

(65)【公開番号】P2023094263

(43)【公開日】2023-07-05

【審査請求日】2024-01-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩渕 匡史

(72)【発明者】

【氏名】村上 友規

(72)【発明者】

【氏名】川本 雄一

(72)【発明者】

【氏名】橋田 紘明

(72)【発明者】

【氏名】加藤 寧

【審査官】青木 健

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１１３５４３１７６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２９８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２５７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１３７８４３５３（ＣＮ，Ａ）

【文献】橋田紘明，外４名，“マルチビーム通信システムにおけるユーザモビリティを考慮したIntelligent Reflecting Surfaceの割り当てに関する検討”，電子情報通信学会技術研究報告，日本，一般社団法人電子情報通信学会，2021年12月16日，vol. 121，no. 234，p. 136-141

【文献】“世界初、６Ｇ時代の超カバレッジの実現に向けたユーザー追従型メタサーフェス制御の実証に成功～人や機材が遮蔽物になる屋内に、より快適なミリ波高速通信環境を提供～”，日本，［ｏｎｌｉｎｅ］，2021年11月12日，p. 1-4，［２０２４．０８．１９検索］，インターネット＜ＵＲＬ：https://www.docomo.ne.jp/binary/pdf/corporate/technology/rd/topics/2021/topics_211112_00.pdf＞

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ７／２４－ ７／２６

Ｈ０４Ｗ４／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の移動端末の各々の移動情報を取得する取得ステップと、
基地局装置および前記複数の移動端末の各々の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継可能な複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当てる割当ステップと、
前記複数の中継装置のうち前記割当ステップで前記複数の移動端末のいずれかに割り当てられた中継装置が、前記取得ステップで取得された当該移動端末の移動情報に基づいて、無線信号の反射を当該移動端末の移動に追従するように制御する反射制御ステップと、
を備え、
前記割当ステップは、
前記取得ステップで取得された移動情報に基づいて、前記複数の中継装置の割当の更新間隔を動的に設定すること
を含む、
無線通信方法。

【請求項2】

前記取得ステップで取得された移動情報に基づいて、前記複数の移動端末の各々の移動経路を追跡する追跡ステップ
を備え、
前記反射制御ステップは、
前記追跡ステップで追跡される移動経路に追従するように無線信号の反射を制御すること
を含む、
請求項１に記載の無線通信方法。

【請求項3】

前記取得ステップで取得された移動情報に基づいて、前記複数の移動端末の各々の移動経路を予測する予測ステップ
を備え、
前記反射制御ステップは、
前記予測ステップで予測される移動経路に追従するように無線信号の反射を制御すること
を含む、
請求項１に記載の無線通信方法。

【請求項4】

前記割当ステップは、
前記取得ステップで取得された移動情報に基づいて、前記複数の移動端末の各々の移動先を推定する確率分布を算出すること、
算出した前記確率分布に基づいて前記複数の中継装置の割当パターンごとに見通し確率およびスループットの少なくともいずれかを含む通信性能を算出すること、および
算出した前記通信性能に基づいて前記複数の中継装置の割当パターンのいずれかを選択すること
を含む、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の無線通信方法。

【請求項5】

基地局装置と、
前記基地局装置および複数の移動端末の各々の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継可能な複数の中継装置と、
を備え、
前記基地局装置は、前記複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当て、
前記複数の中継装置のうち前記複数の移動端末のいずれかに割り当てられた中継装置は、無線信号の反射を当該移動端末の移動に追従するように制御し、
前記基地局装置は、前記複数の移動端末の少なくともいずれかから取得した移動情報に基づいて、前記複数の中継装置の割当の更新間隔を動的に設定する、
無線通信システム。

【請求項6】

複数の移動端末の各々との間の無線通信を担う無線信号を送受信する通信部と、
前記複数の移動端末のうち割り当てられた移動端末および前記通信部の間において当該移動端末の移動に追従するように当該無線信号の反射を制御することで当該無線信号を中継可能な複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当てる割当部と、
を備え、
前記割当部は、前記複数の移動端末の少なくともいずれかから取得した移動情報に基づいて、前記複数の中継装置の割当の更新間隔を動的に設定する、
基地局装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、無線通信方法、無線通信システム、基地局装置、および中継装置に関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１は、無線通信システムの例を開示する。無線通信システムにおいて、基地局装置および複数の端末の各々の間で無線信号による無線通信が行われる。無線通信システムにおいて、基地局装置および端末の間の無線信号を反射することによって中継する中継装置が複数設けられる。各々の中継装置は、多数の反射素子によってそれぞれ到来波の位相をシフトさせることなどによって、無線信号の反射の方向などを制御する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Qin Tao, Shuowen Zhang, Caijun Zhong and Rui Zhang, "Intelligent Reflecting Surface Aided Multicasting With Random Passive Beamforming," IEEE Wireless Communications Letters, Volume 10, Issue 1, January 2021.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、非特許文献１の無線通信システムにおいて、端末が基地局装置と無線通信を行うための訓練データは、中継装置が反射の制御状態を変えるたびに送信される。一方、中継装置による反射の制御状態が変わらなければ、端末の移動先が無線信号による無線通信の範囲外となることがある。このため、非特許文献１の無線通信システムにおいて基地局装置が移動する端末と無線通信を行う場合に、中継装置が反射の制御状態を頻繁に変えると、訓練データによるオーバヘッドが大きくなることで無線通信システムの通信効率が低下しうる。

【0005】

本開示は、このような課題の解決に係るものである。本開示は、通信効率の低下を抑えられる無線通信方法、無線通信システム、基地局装置、および中継装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る無線通信方法は、複数の移動端末の各々の移動情報を取得する取得ステップと、基地局装置および前記複数の移動端末の各々の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継可能な複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当てる割当ステップと、前記複数の中継装置のうち前記割当ステップで前記複数の移動端末のいずれかに割り当てられた中継装置が、前記取得ステップで取得された当該移動端末の移動情報に基づいて、無線信号の反射を当該移動端末の移動に追従するように制御する反射制御ステップと、を備える。

【0007】

本開示に係る無線通信システムは、基地局装置と、前記基地局装置および複数の移動端末の各々の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継可能な複数の中継装置と、を備え、前記基地局装置は、前記複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当て、前記複数の中継装置のうち前記複数の移動端末のいずれかに割り当てられた中継装置は、無線信号の反射を当該移動端末の移動に追従するように制御する。

【0008】

本開示に係る基地局装置は、複数の移動端末の各々との間の無線通信を担う無線信号を送受信する通信部と、前記複数の移動端末のうち割り当てられた移動端末および前記通信部の間において当該移動端末の移動に追従するように当該無線信号の反射を制御することで当該無線信号を中継可能な複数の中継装置の少なくともいずれかを、前記複数の移動端末のいずれかに割り当てる割当部と、を備える。

【0009】

本開示に係る中継装置は、複数の移動端末のうち基地局装置によって割り当てられた移動端末および前記基地局装置の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継する反射体と、前記複数の移動端末のうち割り当てられた移動端末から取得された当該移動端末の移動情報に基づいて、当該移動端末の移動に追従するように、前記基地局装置および当該移動端末の間において無線信号の前記反射体による反射を制御する反射制御部と、を備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係る無線通信方法、無線通信システム、基地局装置、または中継装置によれば、通信効率の低下が抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施の形態１に係る無線通信システムの構成図である。

【図2】実施の形態１に係る無線通信システムの機能ブロック図である。

【図3】実施の形態１に係る無線通信システムにおける無線信号のビームの制御の例を示す図である。

【図4】実施の形態１に係る無線通信システムにおける割当の例を示す図である。

【図5】実施の形態１に係る無線通信システムにおいて移動端末の移動を予測するモデルを説明する図である。

【図6】実施の形態１に係る無線通信システムの動作の例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本開示の実施の形態について添付の図面を参照しながら説明する。各図において、同一または相当する部分には同一の符号を付して、重複する説明は適宜に簡略化または省略する。なお、本開示は以下の実施の形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【0013】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る無線通信システム１の構成図である。

【0014】

無線通信システム１による無線信号は、例えば、ミリ波またはテラヘルツ波などを含む高周波数帯の信号などを含む。ここで、高周波数帯の信号は直進性が高いため、無線通信システム１において、遮蔽物によって無線信号が遮蔽されることへの対処が重要となる。この例の無線通信システム１による無線通信が行われる通信範囲において、複数の遮蔽物がある。この例において、複数の遮蔽物は、遮蔽物２ａ、遮蔽物２ｂ、および遮蔽物２ｃを含む。ここで、これらの遮蔽物を区別しない場合に、単に遮蔽物２と表記する。遮蔽物２は、無線通信システム１による無線信号を遮蔽する物などである。遮蔽物２は、例えば建物などの固定された物、または車両などの移動する物のいずれであってもよい。

【0015】

無線通信システム１は、基地局装置３を備える。基地局装置３は、無線信号を送受信する機能を搭載する。基地局装置３は、例えばアレイアンテナなどによって所望の方向に無線信号を集中させたビームを生成させる機能を搭載する。無線通信システム１は、基地局装置３および複数の移動端末などの間の無線通信を担う。

【0016】

この例において、複数の移動端末は、移動端末４ａ、移動端末４ｂ、および移動端末４ｃを含む。ここで、これらの移動端末を区別しない場合に、単に移動端末４と表記する。移動端末４は、無線通信機能を搭載した移動する端末装置である。移動端末４は、例えばスマートフォン、タブレットコンピュータ、またはラップトップコンピュータなどの可搬な情報端末などである。このとき、移動端末４は、例えば当該移動端末４を所持する利用者によって持ち運ばれることで利用者とともに移動する。あるいは、移動端末４は、自動運転車またはドローンなどの移動機能を搭載した装置における通信モジュールなどであってもよい。このとき、移動端末４は、自律的にまたは操作者の遠隔操作などに従い、移動機能によって自ら移動する。

【0017】

無線通信システム１は、複数の中継装置を備える。この例において、複数の中継装置は、中継装置５ａ、中継装置５ｂ、中継装置５ｃ、中継装置５ｄ、および中継装置５ｅを含む。ここで、これらの中継装置を区別しない場合に、単に中継装置５と表記する。中継装置５は、基地局装置３および移動端末４の間で伝播する無線信号を中継しうるように、無線通信システム１による無線通信が行われる通信範囲に配置される。中継装置５は、例えば基地局装置３から移動端末４に送信される無線信号を反射することによって中継する。中継装置５は、例えば複数の反射素子によってそれぞれ到来波の位相をシフトさせることなどによって、到来波の反射方向などの反射特性を動的に制御する機能を搭載する。中継装置５において、例えばＩＲＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）などのデバイスによって、このような反射特性の動的制御の機能が実装される。無線通信システム１において、中継装置５の一部または全部は、いずれかの移動端末４に割り当てられる。中継装置５は、割り当てられた移動端末４および基地局装置３の間で伝播する無線信号を反射によって中継する。無線通信システム１において、中継装置５の一部または全部は、いずれの移動端末４にも割り当てられない空きの状態を取ってもよい。無線通信システム１において、複数の中継装置５が単一の移動端末４に割り当てられてもよい。

【0018】

この例の無線通信システム１において、基地局装置３は、マルチビーム伝送を行う。この場合に、同時に複数の中継装置５を経由した伝搬経路を形成することができるため、空間多重もしくは空間ダイバーシチの効果が得られるようになる。あるいは、無線通信システム１において、基地局装置３は、シングルビーム伝送を行ってもよい。このとき、複数の中継装置５が割り当てられた移動端末４に対して、基地局装置３は、当該移動端末４に割り当てられた複数の中継装置５を介した複数の経路の候補から、１つの経路をビームにより選択する。また、基地局装置３は、中継装置５を経由せずに移動端末４と直接通信を行ってもよい。基地局装置３は、マルチビーム伝送によりマルチユーザ伝送を行ってもよい。

【0019】

この例において、移動端末４は、例えば基地局装置３から送信される参照信号などに基づいてＣＳＩ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｔａｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を推定する機能を搭載する。ここで、基地局から移動端末４まで無線信号が伝播した無線チャネルのＣＳＩは、当該無線チャネルについての例えば位相回転量および減衰量などの情報を表す。基地局装置３は、移動端末４が推定したＣＳＩを取得する機能を搭載する。移動端末４によるＣＳＩの推定、およびＣＳＩの推定に基づく無線信号のビームの制御は、例えば次のように行われる。

【0020】

基地局装置３は、無線信号の出力方向を走査するように順次変化させてビームを生成し、ビームごとに参照信号を送信する。中継装置５は、基地局装置３が送信するビームごとに、反射方向を走査するように反射特性を制御する。移動端末４は、基地局装置３からの出力方向および中継装置５における反射方向の組み合わせによるビームごとに受信電力を観測し、ＣＳＩを推定する。移動端末４は、観測した受信電力などに基づいて、通信に使用するビームを選択する。移動端末４は、選択したビームの情報、および推定したＣＳＩなどを、基地局装置３および中継装置５などにフィードバックする。無線通信システム１は、移動端末４からフィードバックされた情報に基づいて、選択されたチャネルを通じた移動端末４との無線通信を行う。この例において、移動端末４は、基地局装置３との間で直接通信する無線チャネルのＣＳＩ、および基地局装置３との間で中継装置５を介して通信する無線チャネルのＣＳＩをそれぞれ推定する。

【0021】

このように無線信号のビームの制御が行われる場合に、移動端末４は、中継装置５の数および各々の中継装置５が走査する反射方向の数の積の無線チャネルのうちから、通信に使用するビームを選択する。このため、このようなＣＳＩに基づく無線信号のビームの制御が頻繁に行われると、制御オーバヘッドが大きくなることで無線通信システム１の通信効率が低下する。

【0022】

また、基地局装置３は、各々の移動端末４の移動情報を取得する機能を搭載する。移動端末４の移動情報は、当該移動端末４の移動を表す情報である。移動端末４の移動情報は、例えば、当該移動端末４の移動方向、移動速度、および位置などを含む。

【0023】

また、基地局装置３は、各々の中継装置５の情報を取得する機能を搭載する。中継装置５の情報は、例えば、当該中継装置５の位置の情報、および当該中継装置５の反射制御の状態の情報などを含む。

【0024】

図２は、実施の形態１に係る無線通信システム１の機能ブロック図である。

【0025】

基地局装置３は、第１通信部６と、第１取得部７と、第２取得部８と、第３取得部９と、推定部１０と、割当部１１と、を備える。

【0026】

第１通信部６は、移動端末４および中継装置５との通信を行う機能を搭載する部分である。第１通信部６は、例えば、アレイアンテナなどを含む。第１通信部６は、例えば、無線信号の送受信を行う機能を搭載する。

【0027】

第１取得部７は、ＣＳＩを取得する機能を搭載する部分である。第１取得部７は、例えば、移動端末４などが推定したＣＳＩを、第１通信部６を通じて当該移動端末４から取得する。

【0028】

第２取得部８は、各々の中継装置５の情報を取得する部分である。第２取得部８は、例えば、基地局装置３などにおいて予め記憶された情報を読み込むことで、各々の中継装置５の位置を取得する。あるいは、第２取得部８は、自己位置推定の機能を搭載する中継装置５から、第１通信部６などを通じて当該中継装置５の位置を取得してもよい。中継装置５に搭載される自己位置推定の機能は、例えば衛星測位システムなどによって実装されるものであってもよいし、無線通信システム１の無線信号を用いた測位技術などによって実装されるものであってもよい。

【0029】

第３取得部９は、各々の移動端末４の移動情報を取得する部分である。第３取得部９は、自己位置推定の機能を搭載する移動端末４から、第１通信部６などを通じて当該移動端末４の位置を取得する。このとき、移動端末４に搭載される自己位置推定の機能は、例えば衛星測位システムなどによって実装されるものであってもよいし、無線通信システム１の無線信号を用いた測位技術などによって実装されるものであってもよい。また、第３取得部９は、自己の運動状態の推定の機能を搭載する移動端末４から、第１通信部６などを通じて当該移動端末４の運動状態の情報を取得する。移動端末４の運動状態の情報は、例えば、当該移動端末４の移動方向および移動速度を含む。このとき、移動端末４に搭載される自己の運動状態の推定の機能は、例えば当該移動端末４に搭載されるセンサなどによって実装されるものであってもよい。

【0030】

推定部１０は、現在時刻より後の時刻における移動端末４の移動先を推定する確率分布を算出する機能を搭載する部分である。推定部１０は、第３取得部９が取得した各々の移動端末４の移動情報などに基づいて確率分布を算出する。

【0031】

割当部１１は、複数の中継装置５の一部または全部をいずれかの移動端末４に割り当てる機能を搭載する部分である。割当部１１は、中継装置５および移動端末４の対応を表す割当パターンを複数生成する。ここで、生成される割当パターンのいずれかにおいて、いずれの移動端末４にも割り当てられない空きの中継装置５があってもよい。割当部１１は、生成した割当パターンについて、推定部１０が算出した確率分布に基づいて通信性能を算出する。通信性能は、基地局装置３および移動端末４の間で利用できる無線チャネルがある確率を表す見通し確率、およびスループットの少なくともいずれかを含む。割当部１１は、生成した割当パターンのうちから算出した通信性能に基づいて割当パターンを選択することで、中継装置５の割当を行う。

【0032】

各々の中継装置５は、第２通信部１２と、反射体１３と、追跡部１４と、反射制御部１５と、を備える。

【0033】

第２通信部１２は、基地局装置３および中継装置５との通信を行う機能を搭載する部分である。第２通信部１２は、例えば、アンテナなどを含む。第２通信部１２は、例えば、無線信号の送受信を行う機能を搭載する。

【0034】

反射体１３は、無線信号を反射する部分である。反射体１３は、例えばＩＲＳなどのデバイスを含む。

【0035】

追跡部１４は、移動端末４の移動経路を追跡する機能を搭載する部分である。追跡部１４は、移動端末４について取得された移動情報に基づいて、当該移動端末４の移動経路を追跡する。追跡部１４は、例えば、自己の移動情報を取得する機能を搭載する移動端末４から、第２通信部１２などを通じて当該移動端末４の位置を取得する。あるいは、追跡部１４は、例えば、基地局装置３の第２取得部８が移動端末４から取得した移動情報を、第２通信部１２などを通じて基地局装置３から取得してもよい。

【0036】

反射制御部１５は、反射体１３の反射特性を制御する機能を搭載する部分である。反射制御部１５は、基地局装置３から送信される無線信号が、中継装置５が割り当てられた移動体の方向に反射するように反射体１３の反射特性を動的に制御する。このとき、反射制御部１５は、反射体１３による無線信号の反射が移動体の移動に追従するように反射特性の制御を行う。この例において、反射制御部１５は、追跡部１４が追跡する移動体の移動経路に反射体１３による無線信号の反射が追従するように反射特性の制御を行う。

【0037】

図３は、実施の形態１に係る無線通信システム１における無線信号のビームの制御の例を示す図である。

【0038】

基地局装置３の割当部１１は、設定された割当周期で中継装置５の割当を繰り返し行う。割当周期の長さは、中継装置５の割当の更新間隔に相当する。この例において、割当部１１が割当を行うときに、第１取得部７は、移動端末４が推定するＣＳＩを取得する。割当部１１は、第１取得部７が取得するＣＳＩを用いて中継装置５の割当を行う。この例において、ＣＳＩの推定の処理は、設定された割当周期で行われる。割当部１１は、例えば、第１通信部６を通じて各々の中継装置５および各々の移動端末４などに割当の結果を通知する。

【0039】

割当部１１によって移動端末４に割り当てられた中継装置５の反射制御部１５は、無線信号の反射方向が当該移動端末４の位置に追従するように反射体１３の反射特性を制御する。その後、無線通信システム１において、基地局装置３および移動端末４の間で、中継装置５による中継などを通じて無線信号によるデータ通信が行われる。

【0040】

割当部１１によって移動端末４に割り当てられた中継装置５の追跡部１４は、当該移動端末４の移動経路を追跡する。追跡部１４は、割当部１１による複数の中継装置５の割当が更新されるまで、当該移動端末４の移動経路の追跡を継続する。追跡部１４は、例えば、設定された頻度で当該移動端末４の移動情報を取得する。追跡部１４は、取得した移動情報に基づいて、当該移動端末４の移動経路を更新する。反射制御部１５は、更新された移動経路に基づいて、無線信号の反射方向が当該移動端末４の位置に追従するように反射体１３の反射特性を動的に制御する。その後、無線通信システム１において、基地局装置３および移動端末４の間で、中継装置５による中継などを通じて無線信号によるデータ通信が行われる。

【0041】

このように、無線通信システム１において、移動端末４に割り当てられた中継装置５は移動端末４の移動を追従するように反射体１３の反射特性を動的に制御する。これにより、移動端末４が通信範囲外になる可能性を抑えながら、大きなオーバヘッドを伴うＣＳＩの推定などの処理の周期を長くすることができるようになる。ＣＳＩの推定などのオーバヘッドが削減されるので、無線通信システム１の通信効率の低下が抑えられるようになる。

【0042】

一方、中継装置５が特定の移動端末４の移動を追従している間、当該中継装置５は他の移動端末４への無線信号を中継しないので、他の移動端末４は当該中継装置５を認識できない。このため、他の移動端末４は、当該中継装置５を経由する無線チャネルのＣＳＩを推定できない。したがって、割当部１１による割当が行われてから次の割当が行われるまでの割当周期の間、中継装置５は、追従の対象とする移動端末４を切り替えることができない。このため、割当部１１は、割当周期の間に移動端末４が移動してもいずれかの無線チャネルを当該移動端末４が利用できるように、各々の移動端末４の移動先を推定する確率分布を用いて割当を行う。

【0043】

なお、中継装置５が特定の移動端末４の移動を追従している間に、当該中継装置５を経由する無線チャネルが遮蔽物２によって遮蔽されるときに、移動端末４は、空きの状態にある中継装置５を使用して基地局装置３との無線通信を継続してもよい。すなわち、空きの状態にある中継装置５は、バックアップとして機能する。

【0044】

図４は、実施の形態１に係る無線通信システム１における割当の例を示す図である。

【0045】

この例において、中継装置５ｂおよび中継装置５ｃが、移動端末４ａに割り当てられている。また、中継装置５ｄが、移動端末４ｃに割り当てられている。中継装置５ａおよび中継装置５ｅは、いずれの移動端末４にも割り当てられていない空きの状態である。

【0046】

このとき、移動端末４ａは、中継装置５ｂを経由する無線チャネル、および中継装置５ｃを経由する無線チャネルを通じて基地局装置３との間の無線通信を行う。移動端末４ｃは、中継装置５を経由しない直接通信による無線チャネル、および中継装置５ｄを経由する無線チャネルを通じて基地局装置３との間の無線通信を行う。

【0047】

一方、移動端末４ｂが図４の位置に移動すると、中継装置５を経由しない直接通信による無線チャネルが遮蔽物２ｂによって遮蔽され、中継装置５ｅを経由する無線チャネルが遮蔽物２ｃによって遮蔽される。このとき、移動端末４ｂおよび基地局装置３の間の無線通信は、使用できる無線チャネルがなくなるため切断してしまう。このとき、仮に中継装置５ｃが移動端末４ｂに割り当てられているか、または中継装置５ｃが空き状態にあるかすれば、中継装置５ｃを経由する無線チャネルは遮蔽物２に遮蔽されないため、通信切断は回避される。割当部１１は、このような通信切断が生じうる状況を回避するように、移動端末４の移動先を推定する確率分布を用いて割当を行う。

【0048】

図５は、実施の形態１に係る無線通信システム１において移動端末４の移動を予測するモデルを説明する図である。

【0049】

この例の無線通信システム１において、Ｋ個の移動端末４およびＮ個の中継装置５が割当の対象として認識されている。ここで、Ｋ個の移動端末４およびＮ個の中継装置５のそれぞれに順に付した番号を用いて説明する。

【0050】

推定部１０は、移動端末４の移動をモデル化することで、移動端末４の移動先を推定する確率分布を算出する。推定部１０は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの移動先を推定する。ここで、時刻ｔ＝０は、割当部１１による割当が行われた直後の時刻である。また、時刻ｔ＝Ｔ_０は、割当部１１による次の割当が行われる直前の時刻である。この例において、割当周期から割当部１１による割当処理のオーバヘッドに対応する時間を差し引くと、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間に相当する。推定部１０は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間を複数に分割した時刻の各々における移動端末４の位置の確率分布を算出する。ここで、ｍ番目の時刻点ｔ_ｍは、ｔ_ｍ＝ｍΔｔであり、Ｍ番目の時刻点ｔ_Ｍは、ｔ_Ｍ＝ＭΔｔ＝Ｔ_０である。また、ｍ番目の時刻点におけるｋ番目の移動端末４の位置は、位置ベクトルｒ_ｋ，ｍ＝［ｘ_ｋ，ｍ，ｙ_ｋ，ｍ］^Ｔによって表される。この例において、位置ベクトルの原点は、基地局装置３の位置またはいずれかの中継装置５の位置に取られる。また、ｍ番目の時刻点におけるｋ番目の移動端末４の速度は、速度ベクトルｖ^ｋ，ｍによって表される。

【0051】

この例において、推定部１０は、各々の移動端末４の移動をＯｒｎｓｔｅｉｎ－Ｕｈｌｅｎｂｅｃｋ過程によってモデル化する。推定部１０は、時刻ｔ_ｍにおけるｋ番目の移動端末４の速度ｖ_ｋ，ｍを、直前の時刻ｔ_ｍ－１における速度ｖ_{ｋ，ｍ－１}を引き継いだドリフト成分にランダム成分を加えたものとして、次の式（１）のように表す。

【0052】

【数1】

【0053】

ここで、係数αは、ドリフト成分として直前の時刻から引き継がれる速度成分の割合を表すパラメータである。また、パラメータσは、ランダム成分の大きさを表す。また、ベクトルｗ_{ｋ，ｍ－１}は、平均が０で単位行列を共分散行列とする等方な２次元ガウス分布に従う。

【0054】

このようなモデルにより、推定部１０は、確率分布として、時刻ｔｍにおけるｋ番目の移動端末４の位置ベクトルの確率密度関数ｆ_ｋ，ｍ（ｒ）を、次の式（２）のように算出する。

【0055】

【数2】

【0056】

ここで、ｋ番目の移動端末４の位置ベクトルの確率密度関数ｆ_ｋ，ｍ（ｒ）は、ｘ方向およびｙ方向の移動が互いに独立であるとして、各々の方向についての確率密度関数φ_ｋ，ｍ（ｚ）の積によって表される。ここで、変数ｚは、移動端末４のｘ座標またはｙ座標のいずれかを表す。また、ｒ_ｋ，０（ｚ）およびｖ_ｋ，０（ｚ）は、時刻ｔ_０におけるｋ番目の移動端末４の位置および速度のｘ成分またはｙ成分を表す。このように、推定部１０は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの間の各時刻点における各々の移動端末４の移動先の確率分布を算出する。

【0057】

割当部１１は、推定部１０が算出した確率分布を用いて、例えば次のように見通し確率を算出する。割当部１１は、時刻ｔ_ｍにおいてｎ番目の中継装置５およびｋ番目の移動端末４の間で無線信号が遮蔽物２に遮蔽されない確率の期待値Ｅ［Ｐ_{ｎ，ｋ，ＬｏＳ}（ｔ_ｍ）］を、次の式（３）のように算出する。

【0058】

【数3】

【0059】

ここで、位置ベクトルｒ_ｎは、ｎ番目の中継装置５の位置を原点とする位置ベクトルである。すなわち、確率ｆ_ｋ，ｍ（ｒ_ｎ）ｄｘ_ｎｄｙ_ｎは、時刻ｔ_ｍにおいてｋ番目の移動端末４がｎ番目の位置を原点とした位置ｒ_ｎの周りの面積要素ｄｘ_ｎｄｙ_ｎの内にいる確率を表す。また、パラメータψは、遮蔽物２の密度に対応する。パラメータψは、例えば遮蔽物２の分布を２次元のポアソン点過程によってモデル化したときの平均密度などである。パラメータψは、面積の逆数の次元を持つ。また、期待値Ｅ［ｌ_ｋ］は、遮蔽物２の長さの期待値である。期待値Ｅ［ｌ_ｋ］は、例えばパラメータとして予め与えられる。また、割当部１１は、時刻ｔ_ｍにおいて基地局装置３およびｋ番目の移動端末４の間で無線信号が遮蔽物２に遮蔽されない確率の期待値Ｅ［Ｐ_{Ｂ，ｋ，ＬｏＳ}（ｔ_ｍ）］を、式（３）と同様に算出する。

【0060】

割当部１１は、生成した割当パターンについて、無線通信システム１の通信性能として見通し確率を算出する。割当部１１は、ｋ番目の移動端末４について、見通し外確率Ｐ_Ｂ，ｋを次の式（４）のように算出する。

【0061】

【数4】

【0062】

ここで、集合Ｎ_ａ（ｔ_ｍ）は、時刻ｔ_ｍにおいていずれの移動端末４にも割り当てられていない空き状態にある中継装置５の集合を表す。式（４）において、積（＊１）は、時刻ｔ_ｍにおいてｎ番目の中継装置５およびｋ番目の移動端末４の間で無線信号が遮蔽物２に遮蔽される確率を、空き状態にある中継装置５について乗算したものである。すなわち、積（＊１）は、時刻ｔ_ｍにおいて、空き状態にありｋ番目の移動端末４が使用できる中継装置５が無くなる確率を表す。また、積（＊２）は、積（＊１）についての余事象の確率を、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間について乗算したものである。すなわち、積（＊２）は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間において、空き状態にありｋ番目の移動端末４が使用できる中継装置５が少なくとも１つある確率を表す。また、積（＊３）は、時刻ｔ_ｍにおいて基地局装置３およびｋ番目の移動端末４の間で無線信号が遮蔽物２に遮蔽されない確率を、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間について乗算したものである。すなわち、積（＊３）は、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの時間において、中継装置５を経由しない直接通信による無線チャネルを通じて、ｋ番目の移動端末４が基地局装置３と通信できる確率を表す。したがって、見通し外確率Ｐ_Ｂ，ｋは、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_０までの少なくともいずれかの時刻において、ｋ番目の移動端末４が使用できる全ての無線チャネルが遮蔽物２によって遮蔽される確率に相当する。割当部１１は、見通し外確率Ｐ_Ｂ，ｋについての余事象の確率（１－Ｐ_Ｂ，ｋ）を、ｋ番目の移動端末４についての見通し確率とする。この例において、割当部１１は、Ｋ個の移動端末４にわたる見通し確率の平均値を、無線通信システム１の通信性能として算出する。一般に、割当パターンにおいて空き状態にある中継装置５が多くなるほど、バックアップとして使用できる中継装置５が多くなるので、通信性能としての見通し確率は高くなる傾向にある。

【0063】

また、割当部１１は、生成した割当パターンについて、無線通信システム１の通信性能としてスループットを算出する。割当部１１は、ｋ番目の移動端末４について、スループットの期待値Ｅ［γ_ｋ］を次の式（５）のように算出する。

【0064】

【数5】

【0065】

ここで、集合Ｎ_ｋ（ｔ_ｍ）は、時刻ｔ_ｍにおいてｋ番目の移動端末４に割り当てられている中継装置５の集合を表す。受信電力Ｓ_Ｂ，ｋは、中継装置５を経由しない直接通信による無線チャネルについての、ｋ番目の移動端末４における受信電力を表す。受信電力Ｓ_ｎ，ｋは、ｎ番目の中継装置５を経由する無線チャネルについての、ｋ番目の移動端末４における受信電力を表す。受信電力の情報は、例えば、移動端末４から第１取得部７がＣＳＩを取得するときに、例えば第１通信部６を通じて各々の移動端末４から取得される。すなわち、分子の第１項（＊４）は、中継装置５を経由しない直接通信による無線チャネルを通じた信号の強度を表す。また、分子の第２項（＊５）は、中継装置５を経由する無線チャネルを通じた信号の強度を表す。また、Ｔ、Ｅ［Ｉ］、およびσ_ｔｈ ^２は、それぞれスロット長、干渉電力の期待値、および熱雑音を表す。この例において、割当部１１は、Ｋ個の移動端末４にわたるスループットの平均値を、無線通信システム１の通信性能として算出する。一般に、割当パターンにおいて空き状態にある中継装置５が少ないほど、各々の移動端末４が使用できる中継装置５の数は平均的に多くなるので、マルチビーム伝送などによって大容量の通信が可能になる。すなわち、通信性能としてのスループットは高くなる傾向にある。

【0066】

このように、通信性能としての見通し確率およびスループットは、中継装置５の割当に関してトレードオフの関係にある。このため、割当部１１は、次の式（６）のように多目的最適化によって、生成した複数の割当パターンＶのうちから採用する割当パターンを選択する。

【0067】

【数6】

【0068】

ここで、Ｆ_１（Ｖ）は、見通し確率に対応する目的関数である。また、Ｆ_２（Ｖ）は、スループットに対応する目的関数である。割当部１１は、これらの目的関数について弱パレート最適な割当パターンのうちから、採用する割当パターンを選択する。割当部１１は、例えば最も早く探索された弱パレート最適な割当パターンを選択してもよいし、探索された弱パレート最適な複数の割当パターンについて追加の条件を課すことでいずれか１つの割当パターンを選択してもよい。

【0069】

続いて、図６を用いて、無線通信システム１の動作の例を説明する。
図６は、実施の形態１に係る無線通信システム１の動作の例を示すフローチャートである。

【0070】

ステップＳ０１において、第１取得部７は、無線通信システム１において考慮される全ての無線チャネルについてＣＳＩを取得する。ここで、ＣＳＩは、例えば基地局装置３から送信される参照信号に基づいて、各々の移動端末４において推定される。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０２に進む。

【0071】

ステップＳ０２において、第２取得部８は、無線通信システム１において考慮される全ての中継装置５について、位置などの情報を取得する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０３に進む。

【0072】

ステップＳ０３において、第３取得部９は、無線通信システム１において考慮される全ての移動端末４について、移動情報を取得する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０４に進む。

【0073】

ステップＳ０４において、推定部１０は、各々の移動端末４について、移動先を推定する確率分布を、例えば式（２）などに基づいて算出する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０５に進む。

【0074】

ステップＳ０５において、割当部１１は、中継装置５および移動端末４の対応を表す割当パターンを複数生成する。ここで、割当部１１は、中継装置５および移動端末４の可能な対応を含む割当パターンを全て生成してもよいし、例えば移動端末４における受信電力が予め設定された閾値より小さい無線チャネルを使用しないように絞り込んで割当パターンを生成してもよい。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０６に進む。

【0075】

ステップＳ０６において、割当部１１は、生成した割当パターンのいずれかについて、無線通信システム１の通信性能を例えば式（３）から式（５）などに基づいて算出する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０７に進む。

【0076】

ステップＳ０７において、割当部１１は、生成した割当パターンの全てについて、通信性能を算出したかを判定する。判定結果がＮｏの場合に、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０６に進む。判定結果がＹｅｓの場合に、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０８に進む。

【0077】

ステップＳ０８において、割当部１１は、例えば式（６）のような多目的最適化によって、生成した割当パターンのいずれかを、採用する割当パターンとして選択する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０９に進む。

【0078】

ステップＳ０９において、中継装置５は、割当部１１が選択した割当パターンに従って、割り当てられた移動端末４および基地局装置３の間において無線信号を中継する。このとき、中継装置５の反射制御部１５は、当該移動端末４の移動に追従するように反射体１３の反射特性を制御する。その後、無線通信システム１の処理は、ステップＳ１０に進む。

【0079】

ステップＳ１０において、割当部１１は、直前の割当を行ってから割当周期が経過したかを判定する。判定結果がＮｏの場合に、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０９に進む。判定結果がＮｏの場合に、無線通信システム１の処理は、ステップＳ０１に進む。

【0080】

以上に説明したように、実施の形態１に係る無線通信方法は、取得ステップと、割当ステップと、反射制御ステップと、を備える。取得ステップは、各々の移動端末４の移動情報を取得するステップである。割当ステップは、少なくともいずれかの中継装置５を、いずれかの移動端末４に割り当てるステップである。各々の中継装置５は、基地局装置３および各々の移動端末４の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継可能な装置である。反射制御ステップは、割当ステップでいずれかの移動端末４に割り当てられた中継装置５が、取得ステップで取得された当該移動端末４の移動情報に基づいて、無線信号の反射を当該移動端末４の移動に追従するように制御するステップである。
また、実施の形態１に係る無線通信システム１は、基地局装置３と、複数の中継装置５と、を備える。基地局装置３は、少なくともいずれかの中継装置５を、いずれかの移動端末４に割り当てる。いずれかの移動端末４に割り当てられた中継装置５は、無線信号の反射を当該移動端末４の移動に追従するように制御する。
また、実施の形態１に係る基地局装置３は、通信部と、割当部１１と、を備える。通信部は、各々の移動端末４との間の無線通信を担う無線信号を送受信する。割当部１１は、少なくともいずれかの中継装置５を、いずれかの移動端末４に割り当てる。
また、実施の形態１に係る中継装置５は、反射体１３と、反射制御部１５と、を備える。反射体１３は、基地局装置３によって割り当てられた移動端末４および基地局装置３の間の無線通信を担う無線信号を反射によって中継する。反射制御部１５は、割り当てられた移動端末４から取得された当該移動端末４の移動情報に基づいて、当該移動端末４の移動に追従するように、基地局装置３および当該移動端末４の間において無線信号の反射体１３による反射を制御する。

【0081】

このような構成により、いずれかの移動端末４に割り当てられた中継装置５は、当該移動端末４の移動を追従するように反射特性を動的に制御する。中継装置５がいずれかの移動端末４に固定的に割り当てられるので、ＣＳＩの推定に必要な情報を通信される情報フレームから削減することが可能になる。これにより、移動端末４が通信範囲外になる可能性を抑えながらＣＳＩの推定などのオーバヘッドが削減されるので、無線通信システム１の通信効率の低下が抑えられるようになる。

【0082】

また、実施の形態１に係る無線通信方法は、追跡ステップを備える。追跡ステップは、取得ステップで取得された移動情報に基づいて、各々の移動端末４の移動経路を追跡するステップである。反射制御ステップは、追跡ステップで追跡される移動経路に追従するように無線信号の反射を制御することを含む。

【0083】

このような構成により、取得される移動情報に基づいて、中継装置５が中継する無線信号がより確実に移動端末４に追従するように反射特性が制御されるようになる。これにより、移動端末４が通信範囲外になる可能性がより抑えられる。

【0084】

また、割当ステップは、取得ステップで取得された移動情報に基づいて、各々の移動端末４の移動先を推定する確率分布を算出することを含む。割当ステップは、算出した確率分布に基づいて、複数の中継装置５の割当パターンごとに見通し確率およびスループットの少なくともいずれかを含む通信性能を算出することを含む。割当ステップは、算出した通信性能に基づいて、いずれかの割当パターンを選択することを含む。

【0085】

このような構成により、移動端末４の移動を考慮して、割当が行われる時点より先の状況を考慮した割当が行われるようになる。これにより、移動端末４の移動によって無線通信システム１の通信性能が低下する可能性が抑えられる。また、移動端末４の移動などの変化を考慮することで割当における解空間が広がり、見通し確率およびスループットのトレードオフ関係におけるパレートフロンティアが改善される。なお、割当ステップは、見通し確率およびスループットのいずれか一方を通信性能として評価し、評価した当該通信性能に基づいて割当てパターンの選択を行ってもよい。また、通信性能の評価において、式（３）から式（５）の他の評価式が用いられてもよい。例えば、式（３）から式（５）の近似式、または他の評価方法による式が用いられてもよい。

【0086】

なお、実施の形態１に係る無線通信方法は、予測ステップを備えてもよい。予測ステップは、例えば、追跡ステップに代えて、または追跡ステップと並行して実行される。予測ステップは、例えば、基地局装置３によって実行される。このとき、基地局装置３は、予測ステップを実行する図示されない予測部を備えてもよい。予測ステップは、取得ステップで取得された移動情報に基づいて、各々の移動端末４の移動経路を予測するステップである。このとき、反射制御ステップは、予測ステップで予測される移動経路に追従するように無線信号の反射を制御することを含む。

【0087】

基地局装置３は、例えば、移動端末４の位置および速度に基づいて、移動端末４が同じ速度を維持すると仮定して移動端末４の移動経路を予測してもよい。あるいは、基地局装置３は、例えば、移動端末４の移動をＯｒｎｓｔｅｉｎ－Ｕｈｌｅｎｂｅｃｋ過程によってモデル化することで移動経路を予測してもよい。このとき、基地局装置３は、例えば式（２）のような確率分布に従ってサンプリングすることで、移動端末４の移動経路を予測してもよい。

【0088】

このように、予測される移動経路に従って中継装置５の反射特性を動的に制御することで、移動端末４の移動情報を取得する頻度を抑えることができる。これにより、移動情報の取得に必要な情報を通信される情報フレームから削減することが可能になるので、無線通信システム１におけるオーバヘッドがより削減される。

【0089】

また、割当ステップは、取得ステップで取得された移動情報に基づいて、複数の中継装置５の割当の更新間隔を動的に設定することを含んでもよい。例えば、基地局装置３の割当部１１は、割当を行うときに、各々の移動端末４の移動情報に基づいて、次の割当までの期間として割当周期の長さを設定してもよい。割当部１１は、例えば、移動端末４の移動速度がより速いほど、割当周期の長さをより短くなるように設定する。あるいは、割当部１１は、例えば、移動端末４の移動速度が予め設定された閾値より速いときに、割当周期の長さを通常の長さより短くなるように設定してもよい。また、あるいは、割当部１１は、例えば、移動端末４の移動速度が予め設定された閾値より遅いときに、割当周期の長さを通常の長さより長くなるように設定してもよい。ここで、移動端末４の移動速度は、複数の移動端末４の平均速度または最大速度などであってもよいし、複数の移動端末４のうちのいずれかの速度であってもよい。

【0090】

このような構成により、移動端末４の移動の状況に応じて割当の更新間隔が動的に設定されるので、移動端末４が通信範囲外になる可能性の抑制および通信効率の低下の抑制がバランスをとりながら両立されるようになる。

【0091】

また、基地局装置３の一部の機能は、各々の中継装置５に搭載されていてもよい。あるいは、各々の中継装置５の一部の機能は、基地局装置３に搭載されていてもよい。例えば、追跡部１４は、基地局装置３に搭載されていてもよい。このとき、移動端末４を追従するための移動端末４の位置または方向などの情報は、基地局装置３から各々の中継装置５に通知される。各々の中継装置５の反射制御部１５は、基地局装置３からの通知に従って、反射体１３の反射特性を制御する。

【0092】

また、無線通信システム１において、高周波数帯の信号の他の無線信号が併用されていてもよい。無線通信システム１において、通信されるデータの種類、または容量などに応じて、使用される信号の種類が使い分けられてもよい。また、無線通信システム１は、移動しない基地局装置３および中継装置５などの間の通信に、有線による通信を併用してもよい。

【0093】

続いて、基地局装置３および各々の中継装置５などを含む無線通信システム１の装置のハードウェア構成の例を説明する。無線通信システム１の装置は、ハードウェアとして、例えばプロセッサおよびメモリを備えた処理回路を有する。プロセッサは、例えばＣＰＵ、演算装置、マイクロプロセッサ、またはマイクロコンピュータなどである。メモリは、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭおよびＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、または、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、もしくはＤＶＤなどの記憶媒体が該当する。メモリは、例えばソフトウェアまたはファームウェアとしてのプログラムなどを記憶する。そして、無線通信システム１の装置は、メモリに記憶されたプログラムなどをプロセッサが実行することによって予め設定された処理を実施し、ハードウェアとソフトウェアとが協働した結果として各機能を実現する。無線通信システム１の装置の各機能は、それぞれ処理回路で実現されてもよい。あるいは、無線通信システム１の装置の各機能の一部または全部は、まとめて処理回路で実現されてもよい。また、処理回路は、例えば単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、もしくはＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現されてもよい。

【符号の説明】

【0094】

１ 無線通信システム、 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ 遮蔽物、 ３ 基地局装置、 ４、４ａ、４ｂ、４ｃ 移動端末、 ５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ 中継装置、 ６ 第１通信部、 ７ 第１取得部、 ８ 第２取得部、 ９ 第３取得部、 １０ 推定部、 １１ 割当部、 １２ 第２通信部、 １３ 反射体、 １４ 追跡部、 １５ 反射制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】