(57)【要約】  本発明は、ビームを使用して端末と通信する基地局として動作する通信装置であって、自装置がカバーするサービスエリア内の全領域に受信品質測定用信号を複数のビームを使用して送信する測定用信号送信処理を周期的に実行する測定用信号送信部（制御部１１，変復調部１２，送受信部１３，ビームアンテナ部１５）と、受信品質測定用信号の端末におけるビームごとの受信品質に基づいて、端末との通信で使用するビームを決定するビーム決定部（制御部１１）と、を備える。
2017006470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームを使用して端末と通信する基地局として動作する通信装置であって、
自装置がカバーするサービスエリア内の全領域に受信品質測定用信号を複数のビームを使用して送信する測定用信号送信処理を周期的に実行する測定用信号送信部と、
前記受信品質測定用信号の前記端末における前記ビームごとの受信品質に基づいて、前記端末との通信で使用するビームを決定するビーム決定部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項２】
前記測定用信号送信部は、前記測定用信号送信処理を、前記端末の最大移動速度に基づいて決定した周期で実行し、
前記ビーム決定部は、前記測定用信号送信部が前記周期で送信した前記受信品質測定用信号の受信品質を前記端末から受け取るごとに、前記端末との通信で使用するビームを決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の通信装置。
【請求項３】
同時に生成可能なビーム数が前記サービスエリア内の全領域をカバーするための必要数よりも少ない場合、
前記測定用信号送信部は、１回の前記測定用信号送信処理において、前記複数のビームの照射方向を変更しながら複数回にわたって前記受信品質測定用信号の送信を実行し、前記サービスエリア内の全領域へ前記受信品質測定用信号を送信する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の通信装置。
【請求項４】
前記測定用信号送信部は、前記端末との通常の通信で使用する通信リソースよりも時間軸方向の長さが短い通信リソースを使用して前記ビームの各々で送信する前記受信品質測定用信号を送信し、１回の前記測定用信号送信処理で使用する通信リソースの時間方向の長さを、前記端末との通常の通信で使用する通信リソースの時間軸方向の長さ以下に抑える、
ことを特徴とする請求項３に記載の通信装置。
【請求項５】
前記受信品質測定用信号の送信のために割り当てられていない周波数リソースについては前記端末との通常の通信で使用可能とする、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の通信装置。
【請求項６】
前記サービスエリアの全領域に前記受信品質測定用信号を送信する際に使用するビーム数は、前記サービスエリアにおける前記受信品質測定用信号の平均受信レベルと、前記ビーム数に応じて変化する、前記端末との通常通信が可能な期間の割合とに基づいて決定されている、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の通信装置。
【請求項７】
ビームを使用して端末と通信する基地局が前記端末との通信で使用するビームを選択するビーム選択方法であって、
自装置がカバーするサービスエリア内の全領域に受信品質測定用信号を複数のビームを使用して送信する測定用信号送信ステップと、
前記測定用信号送信ステップで送信した前記受信品質測定用信号の前記ビームごとの受信品質を前記端末から取得する受信品質取得ステップと、
前記受信品質取得ステップで取得した前記受信品質に基づいて、前記端末との通信で使用するビームを選択するビーム選択ステップと、
を含み、
前記測定用信号送信ステップ、前記受信品質取得ステップおよび前記ビーム選択ステップを周期的に実行することを特徴とするビーム選択方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームフォーミング技術を使用して通信を行う通信装置およびビーム選択方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基地局と端末とが通信を行う際に、基地局が複数のアンテナを用いて通信対象端末の方向にビームフォーミングによりビームを形成し、信号を送る技術がある。この技術により、無線信号が飛ぶ方向が絞られるために、他の場所に存在する別の端末への干渉を防ぐ、または低減できる。また、特定方向に無線信号を送信することにより、基地局は、サービスエリア全体に無線信号を送信する場合に比べて送信電力を集中させることができ、信号到達距離の拡大に繋げることができる。このビームフォーミングは、基地局が端末から信号を受信する場合にも適用できる。すなわち、基地局の受信アンテナが信号を受信する方向を通信対象端末の方向に限定することで、通信対象端末の方向とは異なる方向から到来する干渉波の影響を防ぐ、または低減できる。【０００３】
しかし、１本のビームは特定の方向にのみ信号が飛ぶ、または特定の方向からのみ信号受信が可能となるため、１台の基地局のサービスエリア全体をカバーするには複数ビームが必要となる。一方、無線通信システムにおいては、端末は移動することがあるため、ある特定のビームがその端末にとって常に最適なビームになるとは限らない。すなわち、基地局は、端末が移動した場合には、使用するビームを最適なものに切り替える必要がある。【０００４】
特許文献１には、ビームフォーミング技術を使ったシステムにおいて、基地局が、端末である移動局との通信で使用するビームを選択する方法が開示されている。特許文献１に記載の方法では、基地局が２本以上のビームを形成して信号を送信している状態で、移動局が信号の受信を行い、信号の受信結果であるビームの検出結果を基地局へ報告する。基地局は、移動局からの報告に従い、移動局との通信で使用するビームを選択する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１０−５３４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、ビームを選択する際、基地局が、各ビームにビーム識別のための参照信号を埋めて送信することが記載されている。しかしながら、ビームの照射方法の詳細については記載されていない。例えば、特許文献１には、各ビームの照射タイミング、照射方向、照射するビーム数の最大値などについて記載されていない。そのため、特許文献１の記載内容に従って基地局および移動局が動作を行う場合、移動局が移動すると、基地局が送信した参照信号を移動局が受信できず、移動局が通信を継続できなくなる可能性がある。また、基地局が同時に形成可能なビーム数の最大値がＮのときに、サービスエリアを万遍なくビームで照射するために必要なビーム数がＮでは足りない場合が考えられる。この場合、基地局がビームを照射する方向およびタイミングと各移動局が受信処理を実行してビームを検出するタイミングとの間にずれが生じると、各移動局と通信を行うための最適なビームを基地局が検出できない可能性がある。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端末が移動しても最適なビームを使用した通信が継続可能な通信装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ビームを使用して端末と通信する基地局として動作する通信装置である。通信装置は、自装置がカバーするサービスエリア内の全領域に受信品質測定用信号を複数のビームを使用して送信する測定用信号送信処理を周期的に実行し、受信品質測定用信号の端末におけるビームごとの受信品質に基づいて、端末との通信で使用するビームを決定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかる通信装置は、端末が移動しても最適なビームを使用した通信を継続することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】基地局の構成例を示す図
【図２】端末の構成例を示す図
【図３】基地局が受信品質測定用の信号の送信を複数回にわたって実行する動作の一例を示す図
【図４】図３に示した１回目のビーム照射および２回目のビーム照射の実行タイミングの一例を示す図
【図５】基地局が受信品質測定用の信号の送信を複数回にわたって実行する動作の他の例を示す図
【図６】図３に示した１回目のビーム照射および２回目のビーム照射の実行タイミングの他の例を示す図
【図７】基地局が端末との通信で使用するビームを決定する手順の一例を示すシーケンス図
【図８】基地局が参照信号を送信する場合の制御部の動作例を示すフローチャート
【図９】基地局の制御部が、使用するビームを決定する場合の動作例を示すフローチャート
【図１０】端末がビームの検出結果を基地局へ報告する場合の制御部の動作例を示すフローチャート
【図１１】基地局および端末を実現するハードウェア構成の一例を示す図
【図１２】基地局および端末を実現するハードウェア構成の他の例を示す図
【図１３】基地局が照射する各ビームへの参照信号の配置例を示す図
【図１４】基地局が照射する各ビームへの参照信号の配置例を示す図
【図１５】基地局が照射する各ビームへの参照信号の配置例を示す図
【図１６】サービスエリアの平均受信レベルを説明するための図
【図１７】端末サーチの実行周期と、端末サーチで参照信号を送信するタイミングの関係を示す図
【図１８】１回の端末サーチあたりのビーム照射数を決定する方法の具体例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかる通信装置およびビーム選択方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態．
図１は、本発明にかかる通信装置である基地局の構成例を示す図である。図１に示した基地局１は、後述する端末とともに無線通信システムを構成し、ビームフォーミングにより形成したビームを使用して端末との間でデータを送受信する。
【００１３】
基地局１は、制御部１１、変復調部１２、送受信部１３、オムニアンテナ１４およびビームアンテナ部１５を備える。ビームアンテナ部１５は、ビーム制御部１５１および複数のアンテナ１５２を備える。
【００１４】
基地局１において、制御部１１は、自装置がカバーするサービスエリア内の端末から、複数ビームの各々を使用して信号を送信した場合の受信品質の情報を収集し、収集した情報に基づいて、端末と通信する際に使用するビームを決定する。本実施の形態では、後述するように、制御部１１が収集する受信品質の情報を信号の受信電力レベルとするがこれに限定するものではない。変復調部１２は、端末へ送信する制御情報またはデータが制御部１１から入力されるとこれを変調し、端末からの受信信号が送受信部１３から入力されるとこれを復調する。送受信部１３は、変復調部１２から信号が入力されるとデジタルからアナログに変換するとともに無線周波数信号（以下、無線信号とする）にアップコンバートする送信処理を実行し、端末から受信した無線信号がオムニアンテナ１４またはビームアンテナ部１５から入力されるとベースバンド信号にダウンコンバートするとともにアナログからデジタルに変換する受信処理を実行する。オムニアンテナ１４は、端末との間で無線信号を送受信する。オムニアンテナ１４は、主に、制御情報を送受信する際に使用される。ビームアンテナ部１５は、端末が存在する方向に向けてビームを形成し、端末との間で無線信号を送受信する。ビームアンテナ部１５は、主に、端末との間でデータを送受信するための通信において使用される。ビームアンテナ部１５のビーム制御部１５１は、制御部１１からの指示に従い、複数のアンテナ１５２の一部または全てを使用して１つ以上のビームを形成する。ビーム制御部１５１は、アンテナ選択またはアンテナ調整により指向性ビームの選択および制御を行う。ビーム制御部１５１は、例えば、増幅器および移相器などを含んで構成された電子回路であり、送受信部１３から入力された信号を複数のアンテナ１５２へ分配するとともに、各アンテナ１５２が受信した信号を合成して送受信部１３へ出力する。複数のアンテナ１５２は、例えば、アレーアンテナを構成する素子アンテナである。なお、変復調部１２は、端末への送信信号に対する符号化処理および端末からの受信信号に対する復号化処理を併せて行うようにしてもよい。端末への送信データが制御部１１を介して変復調部１２に入力されることとしたが、制御部１１を介さずに変復調部１２に入力される構成としてもよい。
【００１５】
なお、制御部１１、変復調部１２、送受信部１３およびビームアンテナ部１５は、測定用信号送信部を構成している。また、制御部１１はビーム決定部としても動作する。
【００１６】
また、これ以降の説明においては、表現が分かり難くなるのを防止するため、基地局１がカバーしているサービスエリアを、「基地局１のサービスエリア」などと表現する。
【００１７】
図２は、基地局１とともに無線通信システムを構成する端末の構成例を示す図である。図２に示した端末２は、アンテナ２１、送受信部２２、変復調部２３、制御部２４およびレベル測定部２５を備える。
【００１８】
端末２において、アンテナ２１は、図１に示す基地局１との間で無線信号を送受信する。送受信部２２は、変復調部２３から信号が入力されるとデジタルからアナログに変換するとともに無線信号にアップコンバートし、基地局１から受信した無線信号がアンテナ２１から入力されるとベースバンド信号にダウンコンバートするとともにアナログからデジタルに変換する。変復調部２３は、基地局１へ送信する制御情報またはデータが制御部２４から入力されるとこれを変調し、基地局１からの受信信号が送受信部２２から入力されるとこれを復調する。制御部２４は、基地局１からの指示に従い、基地局１が自装置との通信で使用するビームを決定する際に必要な情報を収集し、基地局１へ送信する。レベル測定部２５は、アンテナ２１が受信した無線信号の受信電力レベル（以下、受信レベルと称する）を測定する。
【００１９】
つづいて、基地局１が端末２との通信で使用するビームを決定する動作について説明する。この動作を簡単に説明すると、基地局１は、自装置のサービスエリア内の全領域に対し、複数のビームを使用して信号を送信し、送信した信号の受信品質として受信レベルを端末２に測定させる。端末２は、基地局１から受信した信号の受信レベル測定が終了すると、測定結果を基地局１へ通知し、基地局１は、端末２から通知された測定結果に基づいて、端末２との通信で使用するビームを決定する。具体的には、基地局１は、端末２から通知された測定結果に基づいて端末２が存在している位置、すなわち、どのビームの照射方向に端末２が存在しているかを特定する。そして、端末２が存在している方向と照射方向が一致しているビーム、または、端末２が存在している方向と照射方向が近いビームを使用することに決定する。なお、基地局１のサービスエリアには複数の端末が存在する場合があり、基地局１は、このような場合、各端末との通信で使用するビームを端末ごとに決定する。
【００２０】
ここで、基地局１は、装置のサイズ、コスト、カバーするサービスエリアの広さ、その他の理由から、同時に形成可能なビーム数が限定され、自装置のサービスエリア内の全領域に対して受信品質測定用の信号を一斉に送信することが難しい場合がある。このような場合、基地局１は、受信品質測定用の信号の送信を複数回にわたって実行し、自装置のサービスエリア内の全域へ受信品質測定用の信号を送信する。
【００２１】
図３は、基地局１が受信品質測定用の信号の送信を複数回にわたって実行する動作の一例を示す図である。図３に示した例は、基地局１が同時に形成可能なビーム数Ｎが９であり、かつ、基地局１のサービスエリアの全領域を万遍なく照射するために必要なビーム数Ｍが１８である場合の動作例を示している。この場合、基地局１は、受信品質測定用の信号をサービスエリアの全領域に万遍なく送信するためには、２回に分けて送信する必要がある。そのため、基地局１は、１回目の信号送信では、図３に示した照射パターンＢ１の方向、すなわち、ハッチングされているＢ１１〜Ｂ１９の領域に対してビームを照射し、２回目の信号送信では、照射パターンＢ２の方向、すなわち、ハッチングされているＢ２１〜Ｂ２９の領域に対してビームを照射する。
【００２２】
図４は、図３に示した１回目のビーム照射および２回目のビーム照射の実行タイミングの一例を示す図である。図４の例では、基地局１は、タイミングＴ１において図３に示した照射パターンＢ１の方向にビームを照射し、タイミングＴ２において照射パターンＢ２の方向にビームを照射する。タイミングＴ１およびＴ２以外の通信専用時間帯は、受信品質測定用の信号を送信する時間帯ではなく、通常の通信を行うための時間帯である。通常の通信とは、基地局１と端末２との間のデータの送受信などである。なお、通常の通信において、基地局１は、通信相手の端末２の位置に応じたビームを使用する。また、基地局１は、照射パターンＢ１の方向へのビーム照射および照射パターンＢ２の方向へのビーム照射を周期的に、すなわち、測定用信号送信周期が経過するごとに、実行し、受信品質測定用の信号をサービスエリアの全領域に送信する。これにより、基地局１は、端末２が移動した場合に、移動後の位置を把握することができ、最適なビームを使用して端末２との通信を継続できる。
【００２３】
なお、図３に示した例では、隣接するビーム照射方向を異なる照射パターン（Ｂ１とＢ２）としているが、照射パターンをこれに限定する必要はない。例えば、図５に示した照射パターンのように、隣接している方向同士が同じ照射パターンとなるように分けてもよい。また、図４に示した例では、１回目のビーム照射および２回目のビーム照射の実行タイミングを隣接する時間タイミングとしているが、図６に示したようなタイミング、すなわち、１回目のビーム照射のタイミングと２回目のビーム照射のタイミングとの間に通信専用時間帯を設けてもよい。
【００２４】
また、測定用信号送信周期は、基地局１のサービスエリア内における端末２の最大移動速度に基づいて決定する。具体的には、端末２の最大移動速度が速ければ周期を短くし、最大移動速度が遅ければ周期を長くする。端末２の最大移動速度は、基地局１の設置位置に応じて予め決められているものとする。基地局１の設置位置が高速道路、幹線道路または高速鉄道の線路の付近などの場合、端末２の最大移動速度が速くなるため、この場合には基地局１の測定用信号送信周期を短くする。これに対して、基地局１の設置位置の付近に高速道路、幹線道路または高速鉄道の線路などが存在しない場合、端末２の最大移動速度が遅いと推定されるため、測定用信号送信周期を長くする。測定用信号送信周期の具体的な値は、端末２の最大移動速度に応じて大まかな値としてよい。例えば、最大移動速度が速い場合の周期、遅い場合の周期、速い場合と遅い場合との中間の場合の周期の３種類の値としてもよい。また、端末２の最大移動速度から測定用信号送信周期の具体的な値を算出してもよい。この場合、計算で使用する最大移動速度は、例えば、自動車または鉄道車両の最高速度に基づいて、すなわち、基地局１の設置位置付近の区間の制限速度に基づいて、決定すればよい。さらには、本通信システムを提供するサービス業者が、そのサービスポリシーに従い、基地局１を設置する場所の自動車または鉄道車両の最高速度よりも低い速度を基準に決定してもよい。
【００２５】
図７は、基地局１が端末２との通信で使用するビームを決定する手順の一例を示すシーケンス図である。図７では、基地局１が図３〜図６に示した動作を行う場合、すなわち、基地局１が、サービスエリア内の全領域に対し、２回に分けてビーム照射を行う場合のシーケンス例を示している。
【００２６】
基地局１は、端末２に対して、端末２が受信動作を行ってビームを検出するためのサーチ情報をあらかじめ通知する（ステップＳ１）。サーチ情報には、基地局１が受信品質測定用の信号である参照信号（Reference  Signal）をビームで送信するタイミング、すなわち、基地局１から照射されたビームを端末２がサーチすべきタイミング、ビームの周波数、端末２が受信動作で検出すべきビームの参照信号パターン、参照信号パターンとビームＩＤとの対応関係、などの情報が含まれている。基地局１が参照信号をビームで送信するタイミングは、例えば、参照信号を最初に送信するタイミングと、参照信号の送信周期、すなわち図４および図６に示した測定用信号送信周期とを含んだ情報である。参照信号を最初に送信するタイミングは、例えば、サーチ情報を送信してから参照信号を最初に送信するまでの経過時間で指定することができる。また、サーチ情報を送信する際に送信時のフレーム番号を載せておき、その上で参照信号を最初に送信するフレーム番号も通知しておくことでも同様のことが実現できる。または、サーチ情報を送信したタイミングを基準として、参照信号の送信周期が経過するごとに参照信号を送信することにしておけば、基地局１は、サーチ情報に含まれる「参照信号をビームで送信するタイミング」として、参照信号の送信周期（測定用信号送信周期）のみを端末２に通知すればよい。
【００２７】
基地局１は、オムニアンテナ１４を使用し、サーチ情報をブロードキャストで送信する。無指向性のオムニアンテナ１４から送信されたサーチ情報は基地局１のサービスエリア内に存在する全ての端末２まで到達し、端末２により受信される。なお、参照信号パターン（ビットパターン）はビームごとに固定かつ異なるパターンであり、参照信号パターンにはビームの識別情報であるビームＩＤが対応付けられている。そのため、参照信号パターンが分かれば、参照信号パターンが、どのビームを使用して送信されたかを把握できる。また、図７では記載を省略しているが、基地局１は、ステップＳ１の処理、すなわち、サーチ情報の通知を周期的に行う。また、サービスエリア内の全ての端末２に対してサーチ情報を確実に通知できるのであれば、基地局１は別の通信網を経由して端末２へサーチ情報を通知するようにしてもよい。
【００２８】
基地局１は、ステップＳ１で送信したサーチ情報に含まれている「参照信号をビームで送信するタイミング」が示すタイミングになると、複数のビームを使用して、サービスエリア内の全ての領域に向けて参照信号を送信する（ステップＳ２ａ，Ｓ２ｂ）。なお、参照信号は受信品質測定用信号である。基地局１は、ステップＳ２ａでは照射パターンＢ１のビームを使用して参照信号を送信し、ステップＳ２ｂでは照射パターンＢ２のビームを使用して参照信号を送信する。一方、端末２は、サーチ情報で指定されたタイミング、すなわち、上記の「参照信号をビームで送信するタイミング」が示すタイミングになると、各ビームで送信された参照信号を受信するとともに、参照信号の受信レベルを測定し、ビームを検出する。そして、端末２は、ビームの検出結果を基地局１に報告する（ステップＳ３）。このとき、端末２は、ビームの検出結果として、全ビームのビームＩＤとこれに対応する受信レベルを報告してもよいし、受信レベルの高いものから順番に、規定数のビームＩＤおよび受信レベルを報告してもよい。
【００２９】
基地局１は、端末２からビームの検出結果が報告されると、報告された検出結果に基づいて、報告元の端末２との通信で使用するビームを決定する（ステップＳ４）。ここで、報告された検出結果とは、サービスエリア内の全ての端末２から報告された検出結果である。サービスエリア内に複数の端末２が存在する場合、基地局１は、全ての端末２について、個々の報告された検出結果に基づいて、各端末２との通信で使用するビームを端末２ごとに個別に決定する。基地局１は、例えば、ある端末２における受信レベルが最も高いビームを当該端末２との通信で使用することに決定する。
【００３０】
図７に示したステップＳ２ａ、Ｓ２ｂおよびＳ３は、基地局１が、自装置のサービスエリア内のどこに端末２が存在しているのかを把握するための処理であり、基地局１が端末２を探索（サーチ）する処理といえる。そのため、以下の説明では、ステップＳ２ａ、Ｓ２ｂおよびＳ３の処理をまとめて端末サーチまたはサーチ処理と表現する場合がある。
【００３１】
基地局１は、上記ステップＳ３で端末２から報告されるビームの検出結果をオムニアンテナ１４で受信してもよいしビームアンテナ部１５で受信してもよい。ビームアンテナ部１５で受信する場合、基地局１は、照射パターンＢ１で照射したビームの検出結果報告タイミングと、照射パターンＢ２で照射したビームの検出結果報告タイミングとが異なるタイミングとなるよう、上記のサーチ情報により端末２に指示しておく。そして、基地局１は、照射パターンＢ１で送信したビームの検出結果報告タイミングでは照射パターンＢ１のビームを形成して受信処理を行い、照射パターンＢ２で送信したビームの検出結果報告タイミングでは照射パターンＢ２のビームを形成して受信処理を行う。上記では端末の報告タイミングはサーチ情報の中で通知するとしたが、報告タイミングが端末毎に異なる場合があるため、その場合には、サーチ情報のブロードキャストの後、報告タイミングを端末毎に個別に通知すればよい。通常、携帯電話などの移動通信システムでは、端末が基地局と接続し通信を始める場合、通信の前に端末毎に異なる通信パラメータなどを個別に設定するため、これと同時に報告タイミングを設定することができる。
【００３２】
基地局１および端末２は、上記のステップＳ２ａ〜Ｓ４を周期的に実行する。ステップＳ２ａ〜Ｓ４の実行周期は上述した「測定用信号送信周期」に相当する。なお、基地局１は、ステップＳ２ａ〜Ｓ４の実行周期よりも長い周期でステップＳ１を繰り返し実行する。
【００３３】
図８は、基地局１が、複数のビームを使用してサービスエリア内の全ての領域に向けて参照信号を送信する場合の制御部１１の動作例を示すフローチャートである。図８のフローチャートは、制御部１１が測定用信号送信部として動作する場合の動作例を示している。図８に示した動作は、図７に示したステップＳ１、Ｓ２ａおよびＳ２ｂの動作に相当する。
【００３４】
基地局１の制御部１１は、サーチ情報の送信タイミングか否かを確認し（ステップＳ１１）、送信タイミングの場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、サーチ情報をブロードキャストで自装置のサービスエリア内に送信する（ステップＳ１２）。制御部１１は、ステップＳ１２を実行後はステップＳ１１に戻る。
【００３５】
一方、サーチ情報の送信タイミングではない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、制御部１１は、参照信号の送信タイミングか否かを確認する（ステップＳ１３）。制御部１１は、参照信号の送信タイミングではない場合（ステップＳ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１１に戻る。制御部１１は、参照信号の送信タイミングの場合（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、１回目のビーム照射タイミングか否か、すなわち、照射パターンＢ１でのビーム照射タイミングか否かを確認する（ステップＳ１４）。１回目のビーム照射タイミングの場合（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、制御部１１は、１回目のビーム照射を行う（ステップＳ１５）。すなわち、制御部１１は、１回目のビーム照射方向を示す照射パターンＢ１に従ってビームを照射するようにビームアンテナ部１５に指示するとともに、照射する各ビームで送信する参照信号を変復調部１２へ出力する。なお、変復調部１２へ出力された参照信号は、変復調部１２で変調され、送受信部１３でアナログ無線信号への変換が行われた後、ビームアンテナ部１５に入力される。ビームアンテナ部１５は、制御部１１からの指示に従いビームを形成し、送受信部１３からアナログ無線信号として入力された参照信号を各ビームに割り当てて送信する。
【００３６】
また、制御部１１は、１回目のビーム照射タイミングではない場合（ステップＳ１４：Ｎｏ）、２回目のビーム照射を行う（ステップＳ１６）。すなわち、制御部１１は、２回目のビーム照射方向を示す照射パターンＢ２に従ってビームを照射するようにビームアンテナ部１５に指示するとともに、照射するビームで送信する参照信号を変復調部１２へ出力する。このときの変復調部１２、送受信部１３およびビームアンテナ部１５の動作はステップＳ１５と同様である。
【００３７】
制御部１１は、ステップＳ１５またはＳ１６を実行すると、ステップＳ１１に戻る。ビーム照射を２回に分けて行う場合の例を示したが、３回以上に分けて行う場合も同様の動作とすることができる。この場合、制御部１１は、上記のステップＳ１４において、何回目の照射タイミングかを確認し、確認結果に対応する照射パターンでビームを照射するよう、ビームアンテナ部１５に指示する。
【００３８】
図９は、基地局１の制御部１１が、端末２におけるビームの検出結果に基づき、使用するビームを決定する場合の動作例を示すフローチャートである。図９のフローチャートは、制御部１１がビーム決定部として動作する場合の動作例を示している。図９に示した動作は、図７に示したステップＳ３の動作およびステップＳ４の動作に相当する。従って、図９に示した動作は、参照信号を送信した後に開始となる。
【００３９】
基地局１の制御部１１は、参照信号の送信が完了すると、端末２におけるビームの検出結果を受信するタイミングか否かを確認する（ステップＳ２１）。検出結果の受信タイミングではない場合（ステップＳ２１：Ｎｏ）、制御部１１は、受信タイミングとなるまでステップＳ２１を繰り返す。
【００４０】
制御部１１は、検出結果の受信タイミングの場合（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ビームの検出結果を端末２から受信する（ステップＳ２２）。すなわち、制御部１１は、端末２から送信された、ビームの検出結果を、オムニアンテナ１４またはビームアンテナ部１５と、送受信部１３と、変復調部１２とを介して受信する。このとき、送受信部１３は、オムニアンテナ１４またはビームアンテナ部１５から入力されたアナログ無線信号をベースバンド信号にダウンコンバートするとともにアナログからデジタルに変換して変復調部１２へ出力する。変復調部１２は、送受信部１３から入力された信号を復調して制御部１１へ出力する。なお、基地局１のサービスエリア内に複数の端末２が存在している場合、このステップＳ２２において、制御部１１は、サービスエリア内の全ての端末２からビームの検出結果を受信する。制御部１１は、ビームの検出結果を受信すると、受信した検出結果に基づいて、サービスエリア内の各端末２との通信で使用するビームを決定する（ステップＳ２３）。制御部１１は、例えば、端末２における受信レベルが一番高いビームを使用することに決定する。また、１回の検出結果から決定するのではなく、過去の数回の検出結果も含む複数回の検出結果に基づいて、例えば、複数回の受信レベルの平均値が一番高いビームを使用することに決定することも考えられる。
【００４１】
図１０は、端末２が基地局１から照射されたビームをサーチし、サーチ結果すなわちビームの検出結果を基地局１へ報告する場合の制御部２４の動作例を示すフローチャートである。図１０に示した動作は、図７に示したステップＳ２ａ、Ｓ２ｂおよびＳ３の動作に相当する。
【００４２】
端末２の制御部２４は、ビームのサーチタイミングか否かを確認し（ステップＳ３１）、サーチタイミングではない場合（ステップＳ３１：Ｎｏ）、サーチタイミングとなるまでステップＳ３１を繰り返す。制御部２４は、サーチタイミングの場合（ステップＳ３１：Ｙｅｓ）、１回目のサーチタイミングか否かを確認する（ステップＳ３２）。１回目のサーチタイミングの場合（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、制御部２４は、１回目に照射される各ビームで送信された参照信号を送受信部２２および変復調部２３を介して受信するとともに、受信した参照信号の受信レベルの情報をレベル測定部２５から取得する（ステップＳ３３）。ステップＳ３３が終了すると、制御部２４はステップＳ３１に戻る。一方、制御部２４は、２回目のサーチタイミングの場合（ステップＳ３２：Ｎｏ）、２回目に照射される各ビームで送信された参照信号を送受信部２２および変復調部２３を介して受信するとともに、受信した参照信号の受信レベルの情報をレベル測定部２５から取得する（ステップＳ３４）。次に、制御部２４は、１回目の参照信号の受信結果および２回目の参照信号の受信結果をビームの検出結果として、変復調部２３、送受信部２２およびアンテナ２１を介して基地局１へ報告する（ステップＳ３５）。ビームの検出結果として報告する情報は、検出したビームのビームＩＤおよびビームの受信レベルである。なお、通常、制御部２４は、基地局１から照射されたビームの一部のみが検出可能と考えられる。そのため、制御部２４は、上記のステップＳ３５において、検出できたビームのビームＩＤおよび受信レベルのみを基地局１へ報告してもよいし、検出できなかったビームについては、受信レベルの代わりに、ビームを検出できなかったことを報告してもよい。制御部２４は、ステップＳ３５を実行後、ステップＳ３１に戻る。
【００４３】
なお、基地局１が、サーチ情報などをブロードキャスト送信するためのオムニアンテナ１４と、ビーム形成のためのビームアンテナ部１５とを個別に備えることとしたが、１つのアンテナ部にこれらの機能を持たせるようにすることも可能である。
【００４４】
次に、基地局１および端末２を実現するハードウェアについて説明する。
【００４５】
図１１は、基地局１および端末２を実現するハードウェア構成の一例を示す図である。基地局１は、例えば、図１１に示したプロセッサ１０１、メモリ１０２、送信機１０３、受信機１０４およびアンテナ装置１０５により実現される。プロセッサ１０１は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）ともいう）、システムＬＳＩ（Large  Scale  Integration）などである。メモリ１０２は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  Read  Only  Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically  Erasable  Programmable  Read-Only  Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、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、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital  Versatile  Disc）等である。
【００４６】
基地局１の制御部１１および変復調部１２は、プロセッサ１０１およびメモリ１０２に格納されているプログラムにより実現される。具体的には、プロセッサ１０１が、制御部１１および変復調部１２の動作を行うためのプログラムをメモリ１０２から読み出して実行することにより実現される。
【００４７】
基地局１の送受信部１３は、送信機１０３および受信機１０４により実現される。すなわち、送受信部１３における送信処理は、送信機１０３において実施され、送受信部１３における受信処理は、受信機１０４において実施される。基地局１のオムニアンテナ１４およびビームアンテナ部１５はアンテナ装置１０５により実現される。オムニアンテナ１４およびビームアンテナ部１５は異なるアンテナ装置で実現されてもよい。
【００４８】
端末２の制御部２４および変復調部２３は、プロセッサ１０１およびメモリ１０２に格納されているプログラムにより実現される。具体的には、プロセッサ１０１が、制御部２４および変復調部２３の動作を行うためのプログラムをメモリ１０２から読み出して実行することにより実現される。
【００４９】
端末２の送受信部２２は、送信機１０３および受信機１０４により実現される。すなわち、送受信部２２における送信処理は、送信機１０３において実施され、送受信部２２における受信処理は、受信機１０４において実施される。端末２のレベル測定部２５は受信機１０４により実現される。また、端末２のアンテナ２１はアンテナ装置１０５により実現される。
【００５０】
なお、基地局１の制御部１１および変復調部１２、端末２の制御部２４および変復調部２３を専用のハードウェアで実現してもよく、これらの一部を専用のハードウェアで実現し、残りをソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現してもよい。これらの各部を専用のハードウェアで実現する場合の基地局１および端末２のハードウェア構成は、例えば図１２に示したものとなる。すなわち、基地局１の制御部１１および変復調部１２、端末２の制御部２４および変復調部２３は、処理回路２０１により実現される。処理回路２０１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（Application  Specific  Integrated  Circuit）、ＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。
【００５１】
つづいて、基地局１が端末サーチを行う際にサービスエリア内に照射するビームの詳細について説明する。
【００５２】
図１３は、基地局１が照射する各ビームへの参照信号の配置例を示す図である。図中、ＲＳと記載しているものが参照信号である。参照信号は、上述した端末サーチにおいて基地局１が自装置のサービスエリア内へ送信する信号である。
【００５３】
図１３に示した例は、各ビームで周波数リソースの一部を使って参照信号を送信する場合を示しており、参照信号が配置されていない残りの周波数リソースは通信に使用する。但し、ビームの照射方向に存在する端末との通信に限られる。図中、各ビームで２か所の周波数リソースを参照信号の送信用としているのは、端末２が受信レベルを測定する際に２か所の測定結果を平均化することで、無線通信に特有なフェージングによるレベルの瞬時変動を避け、より安定した測定を可能にするためである。したがって、図１３の例では２か所の周波数リソースを使用しているが、３か所以上の周波数リソースを使用するようにしてもよい。また、図１３の下部に示したように、１つの周波数リソース内で時間軸方向の細かい単位でビーム毎に参照信号を配置する位置を変えている。３ＧＰＰ（3rd  Generation  Partnership  Project）で規格化されたＬＴＥ（Long  Term  Evolution）によるリソースの定義では、ＴＴＩ（Transmission  Time  Interval）というリソース割当の時間単位の中に複数のＯＦＤＭ（Orthogonal  Frequency  Division  Multiplexing）シンボルという単位が存在する。このような構成の場合、各ビームで１つのＯＦＤＭシンボルのみを用いて参照信号を埋め込むことが可能であるため、図１３に示した配置、すなわち、同じ周波数リソースを使用し、複数のビームで参照信号を送信できる。なお、ＬＴＥでは、１つのＴＴＩが１４個のＯＦＤＭシンボルで構成されている。
【００５４】
図１３に示した例では、全ビームで同一周波数位置のリソースを使用して参照信号を配置したが、図１４に示したような配置も可能である。図１４に示した例では、ビーム毎に参照信号を配置する周波数リソースの位置を変えている。図１４に示した配置とする場合、同じ時間に複数のビームで参照信号を送信できる。これを応用すると、図１５に示したように、前述のビーム照射方向を変える複数のタイミングを１つのＴＴＩ内に設けることができる。すなわち、１つのＴＴＩ内において、ビームの照射パターンＢ１とＢ２を切り替えて、サービスエリア内の全ての領域にビームを万遍なく照射することが可能となる。図１５に示した例では、照射パターンＢ１のビームＢ１１，Ｂ１２，Ｂ１３，Ｂ１４，・・・と、照射パターンＢ２のビームＢ２１，Ｂ２２，Ｂ２３，Ｂ２４，・・・とを１つのＴＴＩ内で切り替えている。この場合、端末サーチの所要時間が短くなり、基地局１は、端末２との通信で使用する最適なビームを決定するまでの所要時間を短縮化できる。よって、端末２が移動した場合に使用ビームの切り替えを短時間で行うことができる。また、端末サーチのために必要なリソースを少なく抑えることができる。
【００５５】
つづいて、端末サーチにおいて基地局１が照射するビームの数を決定する方法について説明する。１回の端末サーチで基地局１が照射するビームの数（以下、ビーム照射数と称する）は、サービスエリアの平均受信レベルと、サーチタイミングすなわち端末サーチを開始するタイミングで参照信号送信のための時間リソースを割り当てた後の通信時間率のトレードオフにより決定する。通話時間率とは、ある期間のうち、基地局１と端末２が通信可能な期間の割合であり、別の表現を用いれば、参照信号の送信で使用されない期間の割合である。
【００５６】
はじめに、サービスエリアの平均受信レベルについて説明する。図１６（ａ）は、点線で囲まれるサービスエリアを９ビームでカバーする場合の例を示している。図示した各円の縁は、例えば、ビームの中心が向いている方向で得られる最大利得から３ｄＢ下がった位置を示している。この場合、円の外側の位置は３ｄＢ以上の利得低下があり、円の外側の位置で端末２が基地局１からの信号を受信すると、その受信レベルは低くなる。一方、図１６（ｂ）は、サービスエリアを１６ビームでカバーする場合の例を示している。図１６（ｂ）の例では、ビームの間隔、すなわち隣接しているビーム同士の距離を詰めることで、点線で囲まれるサービスエリアはすべていずれかの円の中に入る。よって、端末２が基地局１からの信号を受信したときの受信レベルは図１６（ａ）の場合に比べて高くなる。ビームの間隔を詰めれば詰めるほど、サービスエリアのいずれの点もビームによる高い利得が得られやすくなるため、サービスエリアの平均受信レベルは高くなる。受信レベルが高い場合、一度に多くのビットを送ることが可能な高い変調度の変調方式が使用できるため、通信時のスループットが高くなる傾向にある。
【００５７】
ここで、例えば、基地局１が同時に生成できる最大ビーム数が９であると、図１６（ｂ）に示したような９を超えるビーム方向に同時にビーム照射することはできない。この場合、２回のタイミングに分割してビームを照射することになる。図１７は、端末サーチの実行周期であるサーチ周期と、端末サーチで参照信号を送信するタイミングの関係を示す図である。なお、サーチ周期は、上述した「測定用信号送信周期」に相当する。図１７（ａ）では、１サーチ周期あたりに参照信号送信タイミングが１回存在する場合を示し、図７（ｂ）では、１サーチ周期あたりに参照信号送信タイミングが２回存在する場合を示している。参照信号の送信タイミング以外では通信を行っているため、図１７（ｂ）の方が通信に使用できるタイミング数が減っている。この場合、通信時のスループットが低くなる傾向にある。
【００５８】
以上より、サービスエリアを多くのビームでカバーすることで、平均受信レベルが上がり、通信スループットが高くなる傾向にある一方、１サーチ周期において、端末サーチのためのビーム照射でより多くの時間リソースを使用することになる。そのため、通信に使用できる残りの時間リソースが減る傾向、すなわち通信スループットが低くなる傾向にある。この背反する要素である平均受信レベルと通信時間率との２つの指標を用いて、ビーム照射数を決定する。
【００５９】
図１８は、１回の端末サーチあたりのビーム照射数を決定する方法の具体例を示す図である。図１８において横軸は１回の端末サーチあたりのビーム照射実行回数（ビーム照射回数）を示し、縦軸はサービスエリアの平均受信レベルを示している。白抜きプロットは、各ビーム照射回数におけるサービスエリア内の平均受信レベルを示している。図１８は、１回のビーム照射で照射可能なビーム数を９とした場合の例を示している。よって、ビーム照射回数が１回の場合は９ビームでサービスエリアをカバーしたときの平均受信レベル、ビーム照射回数が２回の場合は１８ビームでサービスエリアをカバーしたときの平均受信レベル、ビーム照射回数が３回の場合は２７ビームでサービスエリアをカバーしたときの平均受信レベルとなる。黒塗りプロットは、白抜きプロットの結果に通信時間率をかけた結果である。図１８に示した例の場合、通信時間率をかけた後の平均受信レベルは、ビーム照射回数が２回の位置にピークが発生している。そのため、平均受信レベルおよび通信時間率を考慮した場合、９×２＝１８が最適なビーム照射数となる。なお、ビーム照射数の決定方法をこれに限定するものではない。他の方法で決定しても構わない。無線通信システムを構成している基地局１の各々における、１回の端末サーチあたりのビーム照射数は、各基地局１の設置位置を考慮してシミュレーションにより決定してもよいし、各基地局１を実際に設置した後、サーチ周期、平均受信レベルの実測値などに基づいて決定してもよい。
【００６０】
以上のように、本実施の形態の基地局１は、複数のビームを使用して自装置のサービスエリアの全領域へ参照信号を送信し、端末２における参照信号の受信結果に基づいて当該端末２との通信で使用するビームを決定する処理、を端末２の最大移動速度に基づく周期で繰り返し実行することとした。これにより、基地局１は、端末２が移動しても、端末２にとって最適なビームを使用した通信を継続することができる。また、使用するビームを決定する処理を端末２の最大移動速度に基づく周期で実行するため、端末２の移動速度が遅いにもかかわらず、使用するビームを決定する処理を頻繁に実行することがなくなる。すなわち、不要な端末サーチ動作をなくし、効率的に端末サーチ（使用するビームの決定）を行うことができるとともに、通信リソースの浪費を防止できる。
【００６１】
また、基地局１で同時に生成できるビーム数に限りがある場合、複数のビーム照射タイミングを設け、基地局１は、それぞれのタイミングでビーム方向を変えてビームを照射する。端末２は、複数のビーム照射タイミング全てで各ビームの受信レベルを測定し、測定結果を基地局１へ報告する。これにより、基地局１は、端末２がサービスエリアのどこに存在しても最適なビームを選択することができる。
【００６２】
また、端末サーチで使用する参照信号は、各ビームで全ての周波数リソースまたは時間リソースに埋め込まれるのではなく、一部のリソースに埋め込まれる。すなわち、参照信号は一部の通信リソースを使用して送信される。このとき、参照信号の送信で使用されない通信リソースは通信信号の伝送に使用される。これにより、端末サーチの実行に伴うスループットの低下を最小限に抑えることができる。
【００６３】
また、基地局１が端末サーチにおいてビームを照射する際、隣接するビームの距離を短くすることによる、サービスエリア内平均受信レベルの向上と、端末サーチにおけるビーム照射回数の増大による通信時間減少のトレードオフから、端末サーチにおけるビーム照射数を決定する。これにより、時間リソースを効率的に使用し、高い通信スループットを獲得することができる。
【００６４】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  基地局、２  端末、１１，２４  制御部、１２，２３  変復調部、１３，２２  送受信部、１４  オムニアンテナ、１５  ビームアンテナ部、２１，１５２  アンテナ、２５  レベル測定部、１０１  プロセッサ、１０２  メモリ、１０３  送信機、１０４  受信機、１０５  アンテナ装置、１５１  ビーム制御部、２０１  処理回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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