(57)【要約】【課題】  基地局装置が、十分なアンテナゲインを得ることができる範囲で、高速で移動しうる端末装置との通信を行うことができるようにすること。【解決手段】  指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なビームを形成するアンテナを用いて端末と通信を行う基地局装置は、端末の位置と移動速度とを取得し、端末の位置と移動速度とに基づいて、アンテナの指向方向とビーム幅とを制御する。基地局装置のアンテナは、端末の位置より高い位置に配置される。基地局装置は、端末の位置にアンテナの指向方向を向けると共に、その際に、アンテナを頂点としてビーム幅で定まる角度を頂点の角度とする円錐を、端末の位置を含む水平面によって切断した際に得られる楕円の大きさと、端末の移動速度とに基づいて、アンテナのビーム幅を定める。【選択図】  図１
2015207934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なビームを形成するアンテナを用いて端末と通信を行う基地局装置であって、
前記端末の位置と移動速度とを取得する取得手段と、
前記端末の位置と移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する制御手段と、
を有し、
前記アンテナは、前記端末の位置より高い位置に配置され、
前記制御手段は、前記端末の位置に前記アンテナの前記指向方向を向けると共に、その際に、前記アンテナを頂点として前記ビーム幅で定まる角度を頂点の角度とする円錐を、前記端末の位置を含む水平面によって切断した際に得られる楕円の大きさと、前記端末の移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記ビーム幅を定めて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する、
ことを特徴とする基地局装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記端末の移動速度と所定の時間とを乗じた値が、前記楕円の短径または長径の長さ以下となるように、前記アンテナの前記ビーム幅を定めて、前記アンテナの前記ビーム幅を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記端末の移動速度と所定の時間と１未満の係数とを乗じた値が、前記楕円の短径または長径の長さ以下となるように、前記アンテナの前記ビーム幅を定めて、前記アンテナの前記ビーム幅を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の基地局装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記値が前記楕円の短径または長径の長さ以下となるビーム幅が、ビーム幅の最小値より小さくなる場合は、前記アンテナの前記ビーム幅が前記最小値となるように、前記アンテナの前記ビーム幅を制御する、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の基地局装置。
【請求項５】
前記楕円の短径の長さは、前記基地局装置と前記端末との間の距離と前記ビーム幅で定まる角度とを乗じた値であり、前記楕円の長径の長さは、前記短径の長さを前記アンテナの前記指向方向における俯角の余弦で除算した結果の値である、
ことを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の基地局装置。
【請求項６】
前記取得手段は、前記端末の位置の変化に応じて、前記端末の移動速度を取得する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の基地局装置。
【請求項７】
前記取得手段は、前記端末の位置または前記基地局装置の位置に応じて定まる前記端末の最高移動速度または平均移動速度を前記端末の移動速度として取得する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の基地局装置。
【請求項８】
前記取得手段は、前記端末において測定された信号または前記端末から受信した信号におけるドップラーシフトの大きさに基づいて、前記端末の移動速度を取得する、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の基地局装置。
【請求項９】
指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なビームを形成するアンテナを用いて端末と通信を行う基地局装置の制御方法であって、
取得手段が、前記端末の位置と移動速度とを取得する取得工程と、
制御手段が、前記端末の位置と移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する制御工程と、
を有し、
前記アンテナは、前記端末の位置より高い位置に配置され、
前記制御工程では、前記端末の位置に前記アンテナの前記指向方向が向けられると共に、その際に、前記アンテナを頂点として前記ビーム幅で定まる角度を頂点の角度とする円錐を、前記端末の位置を含む水平面によって切断した際に得られる楕円の大きさと、前記端末の移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記ビーム幅が定められ、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とが制御される、
ことを特徴とする制御方法。
【請求項１０】
指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なビームを形成するアンテナを用いて端末と通信を行う基地局装置に備えられたコンピュータに、
前記端末の位置と移動速度とを取得する取得工程と、
前記端末の位置と移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する制御工程と、
を実行させるためのプログラムであって、
前記アンテナは、前記端末の位置より高い位置に配置され、
前記制御工程では、前記端末の位置に前記アンテナの前記指向方向が向けられると共に、その際に、前記アンテナを頂点として前記ビーム幅で定まる角度を頂点の角度とする円錐を、前記端末の位置を含む水平面によって切断した際に得られる楕円の大きさと、前記端末の移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記ビーム幅が定められ、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とが制御される、
ことを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信システムにおける、基地局装置のアンテナの指向方向及びビーム幅の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
３ＧＰＰでは、ＭＩＭＯ通信または俯角（仰角）方向のビームフォーミングのための３次元チャネルのモデル化の検討が行われている（非特許文献１参照）。基地局装置は、例えばこの３次元チャネルに基づいて、俯角（仰角）方向のビームフォーミングを行い、狭いビーム幅（所定のアンテナゲインを得ることができる幅）を端末装置に向けて形成することにより、空間的なリソースの利用効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】ＲＰ−１３０５９０、“Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  ３Ｄ−ｃｈａｎｎｅｌ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ  ａｎｄ  ＦＤ−ＭＩＭＯ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｆｏｒ  ＬＴＥ”、３ＧＰＰ  ＲＡＮ  Ｐｌｅｎａｒｙ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ＃６０、２０１３年６月
【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、狭いビーム幅のビームを形成して通信を行う場合、端末装置が高速で移動すると、その端末装置が十分なゲインを得ることができる範囲から脱してしまい、端末装置における通信品質が急激に劣化する場合があるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基地局装置が、十分なアンテナゲインを得ることができる範囲で、高速で移動しうる端末装置との通信を行うことが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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明による基地局装置は、指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なビームを形成するアンテナを用いて端末と通信を行う基地局装置であって、前記端末の位置と移動速度とを取得する取得手段と、前記端末の位置と移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する制御手段と、を有し、前記アンテナは、前記端末の位置より高い位置に配置され、前記制御手段は、前記端末の位置に前記アンテナの前記指向方向を向けると共に、その際に、前記アンテナを頂点として前記ビーム幅で定まる角度を頂点の角度とする円錐を、前記端末の位置を含む水平面によって切断した際に得られる楕円の大きさと、前記移動速度とに基づいて、前記アンテナの前記ビーム幅を定めて、前記アンテナの前記指向方向と前記ビーム幅とを制御する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基地局装置は、十分なアンテナゲインを得ることができる範囲で、高速で移動しうる端末装置との通信を行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】基地局装置と端末との間の通信の状況を示す概念図。
【図２】基地局装置の機能構成例を示す図。
【図３】基地局装置の機能構成例を示す図。
【図４】基地局装置が実行する処理の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
（無線通信システム）
図１は、本実施形態に係る、無線通信システムにおいて、基地局装置１００がビームを形成して端末装置２００と通信している状態を示す概念図である。なお、図１において、端末装置２００は、点Ｐの位置に存在するものとする。
【００１１】
図１において、基地局装置１００は、３次元方向（仰俯角方向および水平方向）でビームの指向方向と所定のゲインを得ることができるビーム幅とを制御可能なアンテナを有する。このアンテナは、例えばマルチアンテナであり、信号に重み付けと移相との少なくともいずれかを施すことにより、指向方向とビーム幅とを制御するように構成される。ここで、図１では、ビーム幅として、３ｄＢビーム幅、すなわち、ゲインがピークとピークより３ｄＢ低い値との間の値となるような角度の範囲までをビーム幅としている。また、図１では、説明の簡略化のため、主として、仰俯角方向のビームの状況について図解しているが、アンテナは、水平方向にも、同様に、有限のビーム幅を有する。
【００１２】
図１では、このときの３ｄＢビーム幅でカバーできる範囲を楕円Ａで示している。楕円Ａは、端末装置２００の位置Ｐにビームのピークを向けたときに、アンテナを頂点として、ビーム幅を表す角度θ3dBを頂点の角度とする円錐を、端末装置２００の位置Ｐを含む水平面で切断したときに得られる楕円である。この楕円Ａにおいて、短径は、基地局装置１００と端末装置２００との距離Ｒに、ビーム幅を表す角度θ3dBを乗じた値として得られる。また、この楕円Ａにおいて、長径は、短径の長さＲθ3dBを、アンテナの指向方向の俯角θinの余弦（cos(θin)）で除算した結果の値として得られる。なお、この余弦の逆数（１／cos(θin)）は、正割（sec(θin)）となるため、図１においては、この正割を用いて長径の大きさを示している。
【００１３】
端末装置２００は、速度ｖで一定の方向に移動しているものとする。ここで、ｖが大きい場合、すなわち、端末装置２００が高速で移動している場合、一定の時間後には、端末装置２００は、楕円Ａの範囲の外へ移動してしまうと考えられる。端末装置２００が楕円Ａの範囲を脱して移動してしまうと、基地局装置１００は、端末装置２００に対して、十分なアンテナゲインが得られる範囲での信号の送信ができなくなってしまう。また、このビーム幅の範囲を超えた範囲ではアンテナゲインが急峻に低下する場合があるため、端末装置２００において、急激に通信品質が劣化してしまうという問題が生じうる。また、端末装置２００の高速移動に伴って、アンテナ指向方向を逐次切り替えることはできるが、端末装置２００の位置の高速な追跡とアンテナ指向方向の高速な切り替えとが必要となるため、制御が容易ではなくなる場合がある。
【００１４】
そこで、本実施形態では、端末装置２００の移動速度に応じて、上述の楕円Ａの大きさを変更するように、アンテナのビーム幅を制御する。すなわち、高速移動している端末装置２００に対しては、ビーム幅を広くして楕円Ａの大きさを大きくすることにより、端末装置２００が楕円Ａの範囲から脱する確率を低減する。一方、低速移動中の端末装置２００に対しては、ビーム幅を狭くして、アンテナゲインを大きくすることにより、高速通信を可能とする。
【００１５】
以下では、この制御を実行する基地局装置１００の構成例と処理の流れについて、詳細に説明する。
【００１６】
（基地局装置の構成）
図２に、本実施形態に係る基地局装置１００の機能構成例を示す。基地局装置１００は、例えば、アンテナ１０１、通信部１０２、情報取得部１０３、及びビーム制御部１０４を有する。なお、基地局装置１００は、不図示の、一般的な基地局が有する各種機能をも有する。
【００１７】
アンテナ１０１は、通信の相手装置である端末装置２００との間で信号を送信し、又は受信するのに用いられ、指向方向とビーム幅とを制御可能に構成される。アンテナ１０１は、例えば、図２に示されるように、マルチアンテナとして構成されてもよいし、１つのアンテナによって構成されてもよい。通信部１０２は、端末装置２００へ送信する信号を生成してアンテナ１０１を介して送信し、又は、端末装置２００からアンテナ１０１を介して受信した信号からデータを取り出す機能を有する。また、通信部１０２は、ビーム制御部１０４からの指示に従って、アンテナ１０１の指向方向とビーム幅とが制御されるように、例えば信号への重み付けと移相との少なくともいずれかを行う。
【００１８】
情報取得部１０３は、端末装置２００の位置（図１の点Ｐ）と移動速度（図１のｖ）との情報を取得する。例えば、情報取得部１０３は、端末装置２００が測位した結果または端末装置２００が観測した信号等に基づくネットワーク側の測位の結果により、端末の位置を取得することができる。また、情報取得部１０３は、端末装置２００の位置の変化に応じて、端末装置２００の移動速度を、推定により取得することができる。また、情報取得部１０３は、端末装置２００の位置や、基地局装置１００の位置に基づいて定まる、端末装置２００がとり得る最高移動速度または平均移動速度を、端末装置２００の移動速度として取得してもよい。この場合、情報取得部１０３は、例えば、端末装置２００が高速道路上に存在する場合は、移動速度を例えば高速道路における最高移動速度である１００ｋｍ／ｈとする。また、基地局装置１００が、住宅地などをカバレッジエリアとする場合で、例えば、その領域での端末装置２００の平均移動速度が１０ｋｍ／ｈであるような場合は、この平均移動速度を端末装置２００の移動速度として取得する。また、情報取得部１０３は、端末装置２００において測定された信号または端末装置２００から受信した信号におけるドップラーシフトの大きさに基づいて、端末装置２００の移動速度を、推定により取得してもよい。情報取得部１０３は、さらに、端末装置２００の移動方向の情報を取得してもよい。
【００１９】
ビーム制御部１０４は、情報取得部１０３が取得した端末装置２００の位置と移動速度とから、上述のように、端末装置２００が、所定期間の間、所定の範囲（図１の楕円Ａ）を脱しないように、アンテナの指向方向とビーム幅を制御する。具体的には、ビーム制御部１０４は、まず、指向方向（アンテナパターンのピークの方向）を端末装置２００の位置（図１の点Ｐ）へ向ける。
【００２０】
その後、ビーム制御部１０４は、アンテナの位置を頂点とし、ビーム幅を表す角度を頂点の角度とした円錐を、端末装置２００の位置を含む水平面で切断した際に得られる楕円の大きさを、端末装置２００の移動速度に応じて決定する。ビーム制御部１０４は、例えば、所定の時間期間Ｔの間に端末装置２００が移動する距離ｖＴが、楕円の長径または短径の長さ以下となるように、ビーム幅θ3dBを決定する。すなわち、上述のように、短径の長さがＲθ3dBと表されるため、Ｒθ3dB≧ｖＴとなるように、すなわち、θ3dB≧ｖＴ／Ｒとなるように、ビーム幅θ3dBが決定される。同様に、長径を基準として、θ3dB≧ｖＴcos(θin)／Ｒとなるように、ビーム幅θ3dBが決定されてもよい。
【００２１】
なお、長径と短径とのいずれを基準とするかについては、例えば端末装置２００の移動方向に基づいて定められてもよい。すなわち、端末装置２００が主として長径方向に移動している場合は、長径方向が基準とされてもよいし、端末装置２００が主として短径方向に移動している場合は短径方向が基準とされてもよい。また、例えば、常に短径方向または長径方向が基準とされてもよい。
【００２２】
ここで、アンテナのビーム幅は、ゲインを高くして高速通信を行うという観点からは、狭くする方が好ましい場合が多い。したがって、上述の説明では、所定の時間期間Ｔの間に端末装置２００が移動する距離ｖＴを基準に、ビーム幅θを決定するとしたが、この距離ｖＴに対して１未満の係数αを乗じた値αｖＴを基準としてビーム幅が決定されてもよい。この場合は、例えば楕円の短径方向を基準とすれば、θ3dB≧αｖＴ／Ｒとなるように、長径方向を基準とすれば、θ3dB≧αｖＴcos(θin)／Ｒとなるように、ビーム幅θ3dBが決定される。なお、αの値は、例えば通信事業者が事前に定めてもよいし、基地局装置１００が展開するエリアに端末装置が多数存在する場合はαを小さくして狭いビーム幅で通信できる端末装置を優先するなど、通信ネットワークの状況に応じて適応的に定められてもよい。これにより、不必要にビーム幅が広くなってしまうことを防ぐことができるようになる。
【００２３】
なお、基地局装置１００と端末装置２００との距離Ｒは、端末装置２００の位置によって変動するため、ビーム制御部１０４は、この距離Ｒを、都度算出などによって取得する必要がある。例えば、基地局装置１００のアンテナは、端末装置２００の位置より高い位置に配置され、その高度差がＨであり、基地局装置１００と端末装置２００との間の水平方向の距離がｄである場合、Ｒ＝（Ｈ2＋ｄ2）1/2となる。
【００２４】
また、所定の時間期間Ｔは、例えば、サービス品質が所定の品質以上に保たれるべき期間や、端末装置２００の移動速度などに基づいて、定められてもよいし、一定値であってもよい。なお、端末装置２００の移動速度に基づいて所定の時間期間Ｔが定められる場合とは、例えば、広いビーム幅を用いても、十分な品質を満たすことが困難な程度に端末装置２００が高速移動している場合に、Ｔを短くすることなどが挙げられる。
【００２５】
ビーム制御部１０４は、上述のようにして算出したビーム幅が、実際に利用可能なビーム幅の最小値より小さくなる場合は、そのビーム幅の最小値を、端末装置２００との間の実際の通信に用いるビーム幅として決定してもよい。また、ビーム制御部１０４は、同様に、算出したビーム幅が実際に利用可能なビーム幅の最大値より大きくなる場合は、そのビーム幅の最大値を、端末装置２００との間の実際の通信に用いるビーム幅として定めてもよい。なお、後者の場合、例えば上述のように、所定の時間期間Ｔを小さくすることにより、利用可能なビーム幅の最大値以下となるまで、ビーム幅の算出が繰り返されてもよい。
【００２６】
上述の処理について、数値例を示す。本例では、基地局装置と端末装置との高さの差Ｈを２５ｍ、水平方向の距離を５０ｍ、端末装置の移動速度ｖを４０ｋｍ／ｈ＝１１．１１ｍ／ｓ、所定の時間期間を１秒とした。なお、係数αを用いず、また、楕円の短径を基準とした。この場合、θ3dB≧ｖＴ／Ｒ＝１１．１１／（２５2＋５０2）1/2＝０．１９８７［ｒａｄ］＝１１．３９°となる。すなわち、例えばビーム幅θ3dBを１１．５°とすることにより、４０ｋｍ／ｈで移動している端末装置が、１秒の間に楕円Ａの範囲から脱することはなくなることが分かる。このようにして、ビーム制御部１０４は、端末装置の位置と移動速度とによって、端末装置が、所定の期間、十分なアンテナゲインが得られる範囲に存在し続けることとなるように、ビーム幅を制御することが可能となる。
【００２７】
なお、上述の機能を有する基地局装置は、例えば図３に示すハードウェア構成により、実現され得る。基地局装置は、例えば、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、外部記憶装置３０４、及び通信装置３０５を有する。基地局装置では、例えばＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３及び外部記憶装置３０４のいずれかに記録された、上述の基地局装置の各機能を実現するプログラムがＣＰＵ３０１により実行される。そして、基地局装置は、通信装置３０５を用いて、端末装置との間の通信、又は他の基地局装置との間の通信を行う。なお、図３では、基地局装置は、１つの通信装置３０５を有するとしているが、例えば、他の基地局装置との間の通信用の通信装置及び端末装置との間の通信装置を有するなどのように、複数の通信装置を有してもよい。
【００２８】
なお、基地局装置は、上述の各機能を実行する専用のハードウェアを備えてもよいし、一部をハードウェアで実行し、プログラムを動作させるコンピュータでその他の部分を実行してもよい。また、以下の全機能をコンピュータとプログラムにより実行させてもよい。
【００２９】
（基地局装置の動作）
図４に、本実施形態に係る基地局装置１００の動作例を示す。
【００３０】
本処理では、まず、基地局装置１００は、端末装置２００の位置と移動速度との情報を取得する（Ｓ４０１）。このとき、基地局装置１００は、端末装置２００の移動方向の情報を併せて取得してもよい。なお、これらの情報は、端末装置２００により収集された情報が無線信号として受信されることにより取得されてもよいし、基地局装置１００または他のネットワークノードが、例えば端末装置２００が送信した信号から推定した結果として、取得されてもよい。また、これらの情報の一部を端末装置２００が収集して基地局装置１００へ通知し、残りの情報を基地局装置１００又は他のネットワークノードが推定するようにしてもよい。
【００３１】
続いて、基地局装置１００は、取得した端末装置２００の位置の情報に基づいて、アンテナの指向方向を定める（Ｓ４０２）。基地局装置は、例えば、端末装置２００の位置にビームのピークが向くように、指向方向を定める。そして、基地局装置１００は、取得した端末装置２００の位置と移動速度の情報に基づいて、ビーム幅を定める（Ｓ４０３）。具体的な処理の内容は、上述したとおりである。そして、基地局装置１００は、定めた指向方向とビーム幅とを用いて、端末装置２００との間での通信を開始する（Ｓ４０４）。
【００３２】
このようにして、基地局装置は、端末装置の位置と移動速度とに応じて、十分なアンテナゲインを用いることができる範囲で端末装置との通信が行われるように、アンテナの指向方向とビーム幅とを制御することができる。これにより、端末装置２００が、例えば３ｄＢビーム幅から外れる位置に移動してしまうことを防ぐことができ、通信の信頼性と効率とを向上させることができるようになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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