(57)【要約】  ロバストビーム追尾およびデータ通信データのシステムおよび方法が提供される。この方法は、基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割することを含む。位置探査段階において、基地局は分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信し、モバイル装置の位置についての情報を更新する。データ通信段階において、基地局はモバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、モバイル装置の可能な移動性を補償する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロバストビーム追尾およびデータ通信の方法であって、
基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割し、
前記位置探査段階において、分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信すること、および前記少なくとも１つのモバイル装置の位置についての情報を更新することによって、少なくとも１つのモバイル装置の位置を特定し、
前記データ通信段階において、前記少なくとも１つのモバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、前記少なくとも１つのモバイル装置の可能な移動性を補償する、方法。
【請求項２】
前記基地局によるビーム追尾の性能の定常状態分析を決定すること、および、
定常状態平均スループットを最大にする最適なフレーム構造を得るための最適化問題を定式化すること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのモバイル装置の移動性モデルの詳細は、前記基地局に利用できない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのモバイル装置の前記位置についての情報を更新することは、前記少なくとも１つのモバイル装置からのフィードバックに基づいて、前記少なくとも１つのモバイル装置の前記位置についての情報を更新することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
準凹プログラミングを使用して最適データ通信持続時間を得ることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
１つのタイムスロットの最適な位置探査持続時間は、位置探査のために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
全地球測位システム（ＧＰＳ）または低周波数チャネルのうちの少なくとも１つを使用して、最大ユーザ速度および前記少なくとも１つのモバイル装置と前記基地局との間の距離を推定することさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのモバイル装置の位置における角度の不確実な領域（ＡＵＲ）を決定すること、および送信パターンを前記ＡＵＲに一致させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
所定の信頼性への接続を維持しながら所定の狭いビームの使用を可能にするため、前記少なくとも１つのモバイルユーザの位置を断続的に特定することをさらに含む、請求項１に記載の方法
【請求項１０】
前記位置探査段階において、各タイムスロットの始めに、角度適用領域を前記各タイムスロットの終わりの角度の不確実な領域（ＡＵＲ）の分数に一致させながら探査パケットを送信することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ＡＵＲは、前記少なくとも１つのモバイル装置が前記角度適用領域内にあったことを識別する確認応答パケット（ＡＣＫ）、または前記少なくとも1つのモバイル装置が前記角度適用領域内になかったとして解釈されるパケットなし（ＮＡＣＫ）のフィードバックに基づいて更新される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ロバストビーム追尾およびデータ通信のコンピュータシステムであって、
記憶装置に動作可能に結合されたプロセッサ装置を含み、前記プロセッサ装置は、
基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割し、
前記位置探査段階において、分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信することによって少なくとも１つのモバイル装置の位置を特定し、前記少なくとも１つのモバイル装置の位置についての情報を更新し、
前記データ通信段階において、前記少なくとも１つのモバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、前記少なくとも１つのモバイル装置の可能な移動性を補償するよう構成されている、コンピュータシステム。
【請求項１３】
前記プロセッサ装置は、前記基地局によるビーム追尾の性能の定常状態分析を決定するよう、および、定常状態平均スループットを最大にする最適なフレーム構造を得るための最適化問題を定式化するようさらに構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのモバイル装置の前記位置についての情報を更新するとき、前記プロセッサ装置は、前記少なくとも１つのモバイル装置からのフィードバックに基づいて、前記少なくとも１つのモバイル装置の前記位置についての情報を更新するようさらに構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記プロセッサ装置は、準凹プログラミングを使用して最適データ通信持続時間を得るようさらに構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１６】
１つのタイムスロットの最適な位置探査持続時間は、位置探査のために使用される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記プロセッサ装置は、全地球測位システム（ＧＰＳ）または低周波数チャネルのうちの少なくとも１つを使用して、最大ユーザ速度および前記少なくとも１つのモバイル装置と前記基地局との間の距離を推定するようさらに構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサ装置は、前記少なくとも１つのモバイル装置の位置における角度の不確実な領域（ＡＵＲ）を決定するよう、および送信パターンを前記ＡＵＲに一致させるようさらに構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プロセッサ装置は、平均スループット
【数１】
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で、前記少なくとも１つのモバイル装置に送信するようにさらに構成されており、ここで、
【数２】
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は定常状態における平均スループットであり、Ｄはデータ通信の時間の単位であり、Ｋは位置探査の時間の単位であり、ｍは設計パラメータであり、およびｕKはＫおよびＤの関数である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項２０】
ロバストビーム追尾およびデータ通信のためのコンピュータプログラム製品であって、
前記コンピュータプログラム製品は、それで具体化されるプログラム命令を有する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含み、コンピューティング装置によって実行可能な前記プログラム命令は、前記コンピューティング装置に、
基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割し、
前記位置探査段階において、分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信することによって少なくとも１つのモバイル装置の位置を特定し、前記少なくとも１つのモバイル装置の位置についての情報を更新し、
データ通信段階において、前記少なくとも１つのモバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、前記少なくとも１つのモバイル装置の可能な移動性を補償すること、を含む方法を実行させる、コンピュータプログラム製品。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願情報）
本出願は、２０１８年７月３０日に出願された米国仮特許出願第６２／７１１，８２７号および２０１９年７月１８日に出願された米国実用特許出願第１６／５１５，２４９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
（技術分野）
本発明は、ミリ波（ｍｍ波）スペクトル装置に関し、より具体的には、ミリ波モバイルネットワークにおけるビーム追尾に関する。
【０００３】
（関連技術の説明）
ミリ波（ｍｍ波）スペクトル（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ（ギガヘルツ）の範囲の伝送）は、マルチＧｂｐｓ（ギガビット／秒、数十億ビット／秒）データレートを提供するために利用され得る無線通信の１桁大きい帯域幅を提供する。高経路損失と深刻な追尾はミリ波周波数において信号電力を強く減衰させるが、種々のビームフォーミング（ＢＦ）技術は、大規模なアンテナ配列を用いることで指向性放射パターン（ビーム）を形成することにより、これらの効果を克服するために実装されている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、ロバストビーム追尾およびデータ通信データの方法が提供される。前記方法は、基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割することを含む。前記位置探査段階において、前記方法は、分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信すること、および前記モバイル装置の位置についての情報を更新することによって、モバイル装置の位置を特定することを含む。データ通信段階において、前記方法は、前記モバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、前記モバイル装置の可能な移動性を補償することを含む。
【０００５】
本発明の他の態様によれば、ロバストビーム追尾およびデータ通信データのシステムが提供される。前記システムは、基地局によって、時間をそれぞれが２つの段階を有するフレームである位置探査段階およびデータ通信段階に分割する。前記位置探査段階において、前記基地局は、分数検索手段を使用して複数の探査パケットを異なるタイムスロットに送信すること、および前記モバイル装置の位置についての情報を更新することによって、モバイル装置の位置を特定する。データ通信段階において、前記基地局は、前記モバイル装置とビーム幅を拡大しながら通信し、前記モバイル装置の可能な移動性を補償する。
【０００６】
これらおよび他の特徴および利点は添付の図面に関連して読まれるべき、その例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示は、以下の図面を参照して、好ましい実施形態の以下の説明において詳細を提供する。
【図１】本発明による、ＢＳとモバイル装置との間のポイントツーポイントミリ波リンクを示すブロック図である。
【図２】本発明による、ユーザの移動性による経時的角度の不確実な領域の拡大を示すブロック図である。
【図３】本発明による、ビーム追尾におけるフレーム構造を示すブロック図である。
【図４】本発明による、位置探査段階（ＬＰＰ）中の一般的なタイムスロットｍにおける位置探査を示すブロック図である。
【図５】本発明によるｕ0,fからｕ0,の収束を示すブロック図である。
【図６】本発明による、通信遅延のあるシナリオの一般化された前方部分探索を示すブロック図である。
【図７】本発明によるシミュレーションパラメータテーブルを示すブロック図である。
【図８】本発明による、送信電力の関数としての平均スループットを示すブロック図である。
【図９】本発明による、最大ユーザ速度の関数としてτによって正規化された最適なデータ通信段階（ＤＣＰ）の期間を示すブロック図である。
【図１０】本発明による、速度の関数としてのビーム追尾のオーバヘッドを示すブロック図である。
【図１１】本発明による、ユーザ速度の関数としての平均スループットを示すブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、ビーム幅が制約されているときの送信電力の関数としての平均スループットを示す。
【図１３】本発明による、実際の平均スループット対近似平均スループットを示すブロック図である。
【図１４】本発明による、ミリ波モバイルネットワークにおけるロバストビーム追尾およびデータ通信の高レベルシステムを示す概略図およびブロック図である。
【図１５】本発明による、ミリ波モバイルネットワークにおけるロバストビーム追尾およびデータ通信のシステム／方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明によれば、ロバストビーム追尾およびデータ通信のためのシステムおよび方法が提供される。システムおよび方法は、基地局がユーザ移動性モデルの詳細を有さない（または使用しない）方法を実施する。時間は２つの段階、ｉ）位置探査およびｉｉ）データ通信をそれぞれ含むフレームに分割される。第１段階では、基地局は分数探索手段を使用して異なるタイムスロットに複数の探査パケットを送信することによってユーザの位置を特定し、ユーザフィードバックに基づいてユーザ位置についての情報（例えば、基地局によって記憶された）を更新する。第２段階では、基地局はユーザとビーム幅を拡大しながらデータ通信を開始し、ユーザの可能な移動性を補償する。システムは性能の定常状態分析を提供し、定常状態平均スループットを最大にする最適なフレーム構造を得るための最適化問題を定式化する。
【０００９】
一実施形態では、準凹プログラミングを使用して最適データ通信持続時間を得ながら１つのタイムスロットの最適な位置探査持続時間が使用される。
【００１０】
ここで、同様の数字は同じまたは類似の要素を表す図面を詳細に参照し、最初に図１を参照すると、ＢＳとモバイル装置との間のポイントツーポイントミリ波リンクを含むシステム１００が、本発明の一実施形態に従って例示的に示されている。
【００１１】
図１に示すように、基地局（ＢＳ）１１０において２次元単一セルシステム１００の下りリンク１１５は、ポイントツーポイントミリ波リンクを介してモバイル装置（ユーザ）１２０と通信する。図１は、本明細書で説明する方法およびプロセスを実施することができるシステム１００を示す。ｄ（ｔ）１１５は、時刻ｔにおけるＢＳ１１０とモバイル装置１２０との間の距離を表すとする。さらに、ｖ（ｔ）１２５およびψ（ｔ）１３０は、それぞれ、時間ｔにおけるユーザ速度の大きさおよび方向を表す。システム１００は、ｖ（ｔ）１２５およびψ（ｔ）１３０がＢＳ１１０において知られておらず、［０；ｖｍａｘ］および［０；２π］夫々において任意の確率分布を持つ確率変数とみなされると仮定する（仮定に基づいて動作する）。ここで、ｖｍａｘは最大ユーザ速度である。時刻ｔにおけるＢＳ１１０（例えば、横軸１４５の）モバイル装置１２０の角度位置１３５は、φ（ｔ）２［０；２π］によって表される。さらに、ＢＳ１１０に関してモバイル装置１２０の角速度は、ω（ｔ）＝ｖ（ｔ）ｓｉｎ（ｔ）＝ｄ（ｔ）と定義される。さらに、（ｔ）２［０；π］（時計回りの回転）についてω（ｔ）≧０、（ｔ）２［π；２π］（反時計回りの回転）についてω（ｔ）≦０である。
【００１２】
一実施形態によると、ＢＳ１１０はミリ波通信の実施のための適用可能な配列のような巨大なアンテナアレイを含む。システム１００はビームフォーミング（ＢＦ）１５０によるＢＳ伝送パターンの方向性をモデル化するために、単純化したアンテナパターンモデルを採用する。単純化したアンテナパターンモデルは３つのパラメータを含むことができる。それは、主ローブ利得Ｇ、ビーム幅θ、および伝送パターンの主ローブで覆われた角度領域である角度適用領域Θである。この場合には、θ＝｜Θ｜である。さらに、システム１００は理論的な取り扱い易さのため、サイドローブの影響を無視する（例えば、知らないふりをする）。このモデルでは、エネルギー資源の保護は次のことを意味する。
【００１３】
【数１】
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方程式（１）。
【００１４】
Ｇ（ｔ）、θ（ｔ）、およびΘ（ｔ）を、それぞれ時間ｔにおけるビームフォーミング利得、ビーム幅、および角度適用領域とする。さらに、システムは、モバイル装置１２０が全方向の送受信パターンを有することを前提として動作する。
【００１５】
個々のミリ波無線は指向性伝送パターンを作成するためにＢＦを行うことができるが、送信機（ＴＸ）と受信機（ＲＸ）ビームパターンの間の如何なるずれも高データレートのミリ波リンクに必要とされるＢＦゲインを減少させることができる。さらに、ＴＸおよびＲＸビームが狭くなると、ビームずれに対する感度が増加する。このようなシナリオでは、僅かなずれでさえも信号を完全にフェードアウトする可能性がある。例えば、１８°のずれは、６０ＧＨｚで７°のビームを使用した場合、受信電力がおよそ１７ｄＢ減少する。システムおよび方法はビーム配置の追加の通信および遅延オーバヘッドを最小にする（これにより、効率の低下を最小限に抑える）。システムおよび方法は、ミリ波通信をサポートするため著しいＢＦ利得を提供する効率的で正確なビーム配置技術を提供する。
【００１６】
ここで図２を参照すると、本発明の一実施形態にしたがって、モバイル装置１２０の移動性による経時的角度の不確実な領域の拡大が、例示的に示される。
【００１７】
図２に示すように、２００−１では、測定（ａ）の例えばｔ＝０の第１の瞬間に対応して、角度の不確実な領域（ＡＵＲ）２２０（その瞬間２２０−ａにおいて）は、位置（ａ）ｔ＝０、（２１５−ａ（０））および位置（ｂ）（２１５−ｂ（０））内で境界が形成される。垂直線２１０は角度の原点であり、例えば、φ＝０である。２００−２は、測定２００−１の最初の瞬間よりも後の測定の瞬間を示す。その後、２００−２（例えば、ｔ＝ｔ’）において、測定（ｂ）の瞬間に対応して、角度の不確実な領域（ＡＵＲ）２２０−ｂは、（ａ）位置ｔ＝ｔ’、（２１５−ａ（ｔ’））および（ｂ）ｔ＝ｔ’（２１５−ｂ（ｔ’））内で（境界が形成される）。ＡＵＲ２２０−ａとＡＵＲ２２０−ｂを比較することによって分かるように、角度の不確実な領域のサイズは、ユーザ装置１２０の移動性と共に（時間と共に）増加する。
【００１８】
ＢＳ１１０におけるビームフォーミング技術によって得られる指向性の高い伝送パターン（ビーム）は、高経路損失と深刻な追尾を克服するために、ミリ波帯にわたる通信のため実装することができる。方向性（狭い）ビームを使用しながら接続を維持するため、システムおよび方法はモバイル装置１２０が移動する間、ＢＳ１１０がモバイル装置の１２０の角度位置φ（ｔ）を追尾することを可能にする。瞬間速度および移動方向を含むユーザ装置移動性モデルが、リアルタイムでＢＳ１１０において正確に知られている場合、ＢＳ１１０はユーザを簡単な方法で追尾することができる。システムおよび方法は（例えば、追加のオーバヘッドおよびシステムの複雑さのために）ＢＳ１１０がリアルタイムでユーザ装置移動性モデルを有することが実用的ではない（または、例えば、選択された、実装された、可能であるなど）場合、適用され得る。実施例では、ＢＳ１１０は、例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）および低周波数チャネルを使用して、ｖmaxおよびｄ（ｔ）を正確に推定する。推定された情報は場合によっては正確な位置特定に十分ではないが、システムおよび方法は、この推定された情報を使用して、本明細書で以下に説明するように、ユーザの角度位置の不確実性を低減する。
【００１９】
ユーザ位置における不確定性をモデル化するため、システムおよび方法は角度の不確実な領域の概念を以下のように定義する：（定義１は）Φ（ｔ）によって示される、時間ｔにおけるユーザ（モバイル装置１２０）の位置に関する角度の不確実な領域（ＡＵＲ）は、ＢＳ１１０が確率１でφ（ｔ）２Φ（ｔ）（例えば、に関する情報を有する）を知るように、最短角度間隔［ａ（ｔ）；ｂ（ｔ）］である。さらに、不確実な領域の長さは、
【数２】
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として定義される。これは、以下、定義１と呼ばれる。
【００２０】
定義１によれば、データ伝送中にＢＳ１１０がＢＳ１１０の送信パターンをＡＵＲ２２０と一致させた場合（例えば、Θ（ｔ）＝Φ（ｔ））、接続は確率１で維持されるであろう。ｔ＝０を時間の起点とする。さらに、ｔ０＞０はｄ（ｔ）が時間間隔［０；ｔ０］にわたって略一定であるように十分に小さく、例えば、ｄ（ｔ）≒ｄ；ｔ∈［０，ｔ’］であるとする。この場合には、ｗ（ｔ）∈［ｗmax，―Ｗmax］；ｔ∈［０；ｔ０］であり、ここで、ｗmax＝ｖmax／ｄ（２４０）は、ＢＳ１１０に対する最大ユーザ（装置）角速度の大きさである。システムはｗmax２４０を計算する際にψ＝π／２（例えば、最悪の場合）を考慮することに留意されたい。追尾しない場合、ＡＵＲ２２０はユーザ（および対応する装置１２０）の移動性の可能性のため、時間の経過と共に拡大する。定義１を使用して、システムは、Φ（０）＝［ａ（０）；ｂ（０）］である場合、Φ（ｔ０）＝[ａ（ｔ０）；ｂ（ｔ０）]であると決定する。
【００２１】
ａ（ｔ’）＝ａ（０）−ｗmaxt’方程式（２）
【００２２】
ｂ（ｔ’）＝ｂ（０）＋ｗmaxt’方程式（３）
【００２３】
ｕ（ｔ’）＝ｕ（０）＋２ｗmaxt’方程式（４）
【００２４】
図２（２００−１および２００−２）は、時間の経過に伴うビーム追尾なしでＡＵＲ２２０の拡張を示す。第１の時間における２００−１と第２の時間における２００−２との間の比較に示されるように、ＡＵＲ２２０はＢＳ１１０が移動性の方向（例えば、に関する情報を有さない）を知らないので、両側から拡張する。
【００２５】
次に図３を参照すると、本発明の一実施形態によるビーム追尾におけるフレーム構造が例示的に示されている。
【００２６】
図３は、ビーム追尾およびデータ通信を表す。上述の図２に関して説明した方程式（４）は、ＢＳ１１０が確率１との接続を維持するために、データ伝送中に２ｗmaxのレートで、その伝送ビーム幅θ（ｔ）を拡大すべきであることを意味する。しかし、これは、方程式（１）による長時間後に、低いビームフォーミング利得Ｇ（ｔ）に繋がることになる。低いビームフォーミング利得（広いビーム）を避けるために、ＢＳ１１０は、接続を確実に維持しながら十分に狭いビームの使用を可能にするモバイル（ユーザ）装置１２０の位置を間欠的に特定する。接続は（例えば、方程式（４）に基づいて）所定の信頼性に維持することができる。
【００２７】
例示的な実施形態によれば、ＢＳ１１０はミリ波セルラーサービスを使用して、ユーザの位置を特定し、ＡＵＲ２２０は、データ通信のために所定のまたは凡そのサイズを超える（例えば、大きすぎる、閾値を超えるなど）場合に、ＡＵＲ２２０を低減する。システムは、時間を同様のフレームに分割する。図３は２つの段階：１）位置探査段階（ＬＰＰ）３１０および２）データ通信段階（ＤＣＰ）３２０からなるフレーム３０５の構造を示す。
【００２８】
一例によれば、システムは、フレーム３０５と、フレーム３０５の先頭にあるＡＵＲ２２０とを識別する。第１の段階（ＬＰＰ）３１０では、ＢＳ１１０はユーザ（装置１２０）の移動性のためにＡＵＲ２２０が拡張することを考慮しながら、ユーザ装置１２０の位置を特定するためにＡＵＲ２２０を探査する。ＬＰＰ３１０は、各々が持続時間τを有するＫ∈Ｎ個のタイムスロット３１５からなる。各タイムスロット３１５の先頭に、ＢＳ１１０は（ＢＳ１１０の）角度適用領域をタイムスロット３１５の終わりのＡＵＲ２２０の部分に一致させながら、探査パケットを送信する。次に、ＢＳ１１０は確認応答パケット（ＡＣＫ）またはパケットなし（ＮＡＣＫ）の何れかであるモバイル装置１２０からのフィードバック（例えば、ユーザフィードバック）に基づいてＡＵＲ２２０を更新する。モバイル装置１２０からＡＣＫを受信することは、モバイル装置１２０がそのタイムスロット中にパケット伝送を探査するために使用された角度適用領域にあったことを意味し、そうでなければＮＡＣＫを意味する。ＢＳ１１０は、場合によってはモバイル装置１２０が角度適用領域内にない（または角度適用領域内になかった）と（受信されている）パケットがないと解釈することができる。
【００２９】
ＬＰＰ３１０の後、第２の段階（ＤＣＰ）３２０において、ＢＳ１１０は、（ＢＳ１１０の）角度適用領域を、最も更新されたＡＵＲ２２０に一致させ、方程式（４）にしたがって、ビーム幅を時間内に継続的に拡張しながらデータ通信を開始する。ＤＣＰ３２０は、この例示的な実施形態ではタイムスロットされていないが、システムはＤＣＰ３２０の持続時間がＤ∈Ｒ+を有するＤτであると仮定する（仮定に基づいて動作する）（また、分かり易くするため、本明細書の説明および表現を簡略化するために、この表記法は以下使用される）。システムはフレーム長がＮτであることを決定し、ここで、Ｎ＝Ｋ＋Ｄである。
【００３０】
以下に記載されるように、各段階は、本明細書において上記に記載される２段階構造を使用する場合、経時的なＡＵＲの変動の分析と共に詳細に提示される。
【００３１】
次に図４を参照すると、本発明の一実施形態による、位置探索段階（ＬＰＰ）中のタイムスロットｍにおける位置探索が例示的に示されている。
【００３２】
図４に示すように、４００、４２５、４５０および４７５は、ＬＰＰ３１０中の一般的なタイムスロットｍにおける位置探査手順中の段階を表す。
【００３３】
４００において、領域４０５はタイムスロットの開始時のＡＵＲ２２０、例えば、Φｍ−１（ｕm）を表す。タイムスロットの開始時のＡＵＲ２２０は、ｃm-1（４１０）の中心位置を有するａm-1（４１０）およびｂm-1（４２０）によって境界が形成される。４２５において、ＢＳ１１０は（ＢＳ１１０の）送信パターンをΘｍ（ξｍ）である選択された領域４４０に一致させながら、探査パケットを送信する。４５０において、ユーザ（モバイル装置１２０）がＡＣＫを送り返す場合、ＡＣＫは領域４５５において送信され、ＢＳ１２０はそれに応じてＡＵＲ２２０を更新する。４７５において、モバイル装置がＡＣＫを送り返さない場合、モバイル装置１２０は領域４８０にあり、ＢＳ１１０は、それに応じてＡＵＲ２２０を更新する。
【００３４】
システムは（例えば、所定の幅または閾値を使用する）狭いビームの使用を可能にするユーザ角度位置上の不確実性を低減するために、（例えば、目標の）ＬＰＰを実装する。前述のように、ＬＰＰ３１０はＫ個のタイムスロットからなり、各タイムスロットにおいて、ＢＳ１１０は（モバイル装置１２０からの）（ユーザ）応答に基づいて、探査パケットを送信し、ＡＵＲ２２０を更新する。各タイムスロットの持続時間τは、探査パケットの送信とユーザ応答の受信に必要な時間である。ＬＰＰ３１０はタイムスロットされているので、システムは表記上の簡潔さのため、
【数３】
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、および
【数４】
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を定義し、ここでｍ＝０；１；．．．；Ｋである。ｍ＝０は、ＬＰＰ３１０の開始時の初期値に対応することに留意されたい。
【００３５】
本明細書に記載の実施形態の例によれば、システムはプロセス１に関して本明細書で後述するように、本明細書では前方分数探索（Ｏｎ−ＦＳ）と呼ばれる探査戦略のファミリーを実装する。前方分数探索は探査なしでタイムスロットｍの終わりにＡＵＲの分数を探索する［例えば、ａm-1−Δ；ｂm-1＋Δ］。換言すれば、各タイムスロット前方分数探索では、最悪の場合のＡＵＲ２２０を考慮し、最悪の場合のＡＵＲ２２０を探査して、更新されたＡＵＲからのユーザスケープを回避する。
【００３６】
ＢＳ１１０は角度領域（４４０）Θｍ（ξｍ）＝［ａm-1-Δ；ａm-1＋ξm+Δ］、ここでξm２（０；um-1）；ｍ＝１；２；．．．；Ｋは設計パラメータ（図４の段階４２５）をカバーするように（ＢＳ１１０の）送信パターンを調整しながら、サイズτ０を有する探査パケットを送信する。ＡＵＲ２２０は、タイムスロットｍ＝１；２；．．．；Ｋ（図４のＬＰＰ３１０の段階４００）の開始時にΦｍ−１（４０５）であることに留意されたい。Δ（４３０）は、移動性による角度位置の最大変化として定義することができる。モバイル装置１２０（ユーザ）は、モバイル装置１２０が探査パケット全体を受信した場合、ＡＣＫを送り返す。この実施例ではσはＢＳ１１０とモバイル装置１２０との間の一方向通信遅延として識別される。したがって、ＢＳ１１０はφ（ｔ）∈Θｍ（ξｍ）が（ｍ−１）τ＋σ≦ｔ≦（ｍ−１）τ＋τ’＋σの場合、ＡＣＫを受信する（または受信すること）。一方、ＢＳ１１０は（モバイル装置１２０からの）ユーザ応答に基づいて、タイムスロットの終わりまでにＡＵＲ２２０を更新する必要があるので、τ０＋２σ≦τを有するべきである。一例によれば、システムはσを（例えば、無視する）軽視し、（例えば、単純さ、効率などのために）τ’＝τであると仮定する。しかし、システムは、軽微な変更でσ＞０およびτ’＜τの結果を一般化することができる。また、ＢＳ１１０がＡＣＫを受信しない場合、ＢＳ１１０は、その結果をＮＡＣＫと解釈する。
【００３７】
ＢＳ１１０がＡＣＫを受信する場合、モバイル装置１２０はタイムスロット全体について角度領域Θm（ξm）にあり、したがって、ＡＵＲ２２０は、Φm＝Θm（ξm）として更新される（４５５として示される）（図４の段階４５０）。この領域は、ａm（４６０）およびｂm（４７０）によって境界が形成される。そうでなければ、モバイル装置１２０は少なくともタイムスロットの分数のためΘm（ξm）の外側にあり、したがって、ＡＵＲ２２０は、
【数５】
2021528010.tif 000007
として更新される（図４の段階４７５）。ＮＡＣＫが発生した場合、モバイル装置１２０はタイムスロットの開始時に任意の小さい∈＞０で角度位置φ＝ａm-1＋ξm＋Δにあり、最大角速度ｗmaxで反時計方向に移動することができるので、更新されたＡＵＲ２２０は探査された角度領域の一部、例えば、Θm（ξm）∩Θ’m（ξm）＝［ａm-1＋ξm；ａm−1＋ξm＋Δ］を依然として含むことに留意されたい。したがって、モバイル装置１２０はタイムスロットの終わりに角度位置φ＝ａｍ−ｌ＋ξm＋∈に到達する一方、モバイル装置１２０は探査パケット全体を受信していないのであるから（例えば、モバイル装置１２０は探査パケットの最初の部分を見失う）、モバイル装置１２０はＡＣＫを送り返さない。したがって、Θ’m（ξm）はモバイル装置１２０が更新されたＡＵＲ２２０内に位置することを確実にするために、長さΔを有するΘm（ξm）の一部も含む。
【００３８】
Ｏｎ−ＦＳを特徴付けるため、システムは設計ベクトルξ＝［ξ１；ξ２；．．．，ξＫ］を決定する。システムはＬＰＰ３１０を実装して、ＤＣＰ３２０の開始時（または同等にＬＰＰ３１０の終了時）のＡＵＲ２２０の長さを縮め、より高いビームフォーミング利得（例えば、より狭いビーム）でデータ送信を開始する。したがって、システムは、ＬＰＰ３１０中にｕKをできるだけ減らそうと試みる。しかしながら、ｕKは潜在的に確率変数であり、その分布はユーザ移動性モデルと同様に、例えば、ユーザ速度ｖ（ｔ）および移動性方向（ｔ）の確率分布ξに依存する。これは、ＡＵＲ２２０がユーザ移動性モデルによって直接影響を受けるユーザフィードバックに基づいて更新されるからである。ユーザ移動性モデルの詳細は、ロバスト性について任意であると仮定されるので、システムはｖ（ｔ）２［０；ｖmax］を満たすすべての移動性モデルにわたってｕKの最悪の場合（最大）が最小化されるように、ξを見つけるための決定論的アプローチを実施する。
【００３９】
したがって、システムは、問題を満たすための手順を実施する：
【数６】
2021528010.tif 000008
【００４０】
【数７】
2021528010.tif 000009
【００４１】
ここで、Ｍは、ｖ（ｔ）２［０；ｖmax］を満たすすべての移動性モデルの集合である。
【００４２】
例示的な実施形態によれば、システムは問題Π１を解決するために、補助定理１を実施する（または使用することを決定する）：
【００４３】
【数８】
2021528010.tif 000010
【００４４】
補助定理１は最適ベクトルξ*を使用することが、各タイムスロットの終了時におけるＡＵＲ２２０の長さは
【数９】
2021528010.tif 000011
であることから、ユーザフィードバックと無関係である。予想通りξ＝ξ*であると、これはｕm；ｍ＝１；２；．．．，Ｋはユーザ移動モデルと無関係であることを意味する。さらに、ξ*を使用すると、
【数１０】
2021528010.tif 000012
【００４５】
方程式（５）を導く。
【００４６】
方程式（５）は、
【００４７】
【数１１】
2021528010.tif 000013
方程式（６）を導く。
【００４８】
ここで、ｕ0は、ＬＰＰ３１０の開始時のＡＵＲ２２０の長さである。
【００４９】
一実施形態によれば、Ｏｎ−ＦＳは、以下の手順で実装することができる。
【００５０】
システムは、探査段階Φ0＝［ａ0；ｂ0］において初期ＡＵＲ２２０を入力することができる。出力は、探査段階ΦK＝［ａK，ｂK］における最後のＡＵＲ２２０である。
【００５１】
１：ｍ＝１〜Ｋの場合、システムは以下を実行する。
【００５２】
２：ＢＳ１１０は図４に示すように、４２５によって示されるように、角度領域［ａm-1−Δ；ａm-1＋ξm＋Δ］を覆うビームパターンで探査パケットを送信する。
【００５３】
３：ＢＳ１１０はモバイル装置１２０からＡＣＫを受信すると、
【００５４】
４：４５０（図４）で示されるＡＵＲ２２０は、次のように更新される
【００５５】
【数１２】
2021528010.tif 000014
方程式（７）
【００５６】
【数１３】
2021528010.tif 000015
方程式（８）。
【００５７】
５:そうでなければ（ＢＳ１１０がモバイル装置１２０からＡＣＫを受信しない場合）、
【００５８】
６：４７５（図４）で示されるＡＵＲ２２０は、次のように更新される
【００５９】
【数１４】
2021528010.tif 000016
方程式（９）
【００６０】
【数１５】
2021528010.tif 000017
方程式（１０）
【００６１】
７：終了する場合（ステップ−例えば３〜６）。言い換えれば、３行目のｉｆ文は７で終了する。
【００６２】
８：（ステップ−例えば、１）のために終了。言い換えれば、８行目は１行目で開始された文の終わりを示す。
【００６３】
ＤＣＰ３２０を実行するとき、ＢＳ１１０はその角度適用領域を、ＬＰＰ３１０から更新されたＡＵＲ２２０、例えば、ΦKに一致させ、データ送信を開始する。ユーザ（モバイル装置１２０）の移動性によるデータ送信中の接続損失を避けるため、ＢＳ１１０はＡＵＲ２２０を覆う、例えば、Ｋτ≦ｔ≦Ｎτに対してΘ（ｔ）＝Φ（ｔ）であるようにビーム幅を拡張する。このようにして、システムは決定する：
【００６４】
【数１６】
2021528010.tif 000018
方程式（１１）
【００６５】
見通線チャネルモデルを実装する場合、フレームの平均スループットは：
【数１７】
2021528010.tif 000019
方程式（１２）
【００６６】
【数１８】
2021528010.tif 000020
【００６７】
方程式（１３）である。
【００６８】
ここで、ＰはＢＳ１１０の送信電力、Ｇ（ｔ）＝２π＝θ（ｔ）はビームフォーミング利得、Ｎ0はノイズスペクトル密度、Ｗは通信帯域幅、Ｌ（ｄ）はＢＳ１１０とモバイル装置１２０との間の距離ｄに依存する経路損失である。実際にはフレーム長は小さいので、ＤＣＰ３２０にわたってｄの変化は無視できると仮定する。
【数１９】
2021528010.tif 000021
は、Ｋ、Ｄ、およびｕ０の関数であることに留意されたい。ｕ０の
【数２０】
2021528010.tif 000022
の依存性は、方程式（６）にしたがってｕKがｕ0に依存するθ（ｔ）に由来する。例示的な実施形態によれば、システムは、平均スループットを目的関数として使用して、次のセクションにおけるフレーム構造を最適化する。
【００６９】
次に図５を参照すると、ｕ0,f（実線曲線５１０）からｕ0（破線５２０）への収束が、本発明の一実施形態にしたがって例示的に示されている。
【００７０】
図５に示すように、システムは、複数フレーム分析およびフレーム最適化を実装する。システムは複数のフレームが連結されるとき、説明された２段階構造の性能を分析する。システムはまた、定常状態平均スループットを最大化するＬＰＰ３１０およびＤＣＰ３２０の最適持続時間を見つけるための最適化問題を定式化する。
【００７１】
システムは複数の同一フレームが連結されるという仮定に基づいてマルチフレーム分析を実施し、ここで、Ｆはフレームの数を示す。フレームインデックスであるｘ軸上の単位は自然数である。ｙ軸はラジアン単位の角度を示す。
【００７２】
再び図５を参照すると、ｕ0,1＜ｕ0（上部５３０）、ｕ0,1＝ｕ0（中央５４０）、およびｕ0,1＞ｕ0（下部５５０）の３つの場合についてＫ＝２およびＤ＝１００の場合のｕ0,f（実線曲線）からｕ0（点線）への収束が示されている。
【００７３】
ｕm,f,ｍ∈｛１，２，...Ｋ｝を、フレームｆにおけるＬＰＰ３１０中のタイムスロットｍの終了時におけるＡＵＲ２２０の長さとする。さらに、ｕ0,f,ｆ∈｛１，２，...Ｆ｝を、フレームｆの開始時におけるＡＵＲ２２０の長さとする。フレームｆの終了時のＡＵＲ２２０は、フレームｆ＋１の開始時のＡＵＲ２２０に等しいことに留意されたい。したがって：
【数２１】
2021528010.tif 000023
【００７４】
方程式（１４）。
【００７５】
補助定理２：任意のｕ0,1に対して、シーケンス｛ｕ0,f｝f∈Nは次のように収束する：
【数２２】
2021528010.tif 000024
【００７６】
方程式（１５）。
【００７７】
補助定理２は、マルチフレーム構造の重要な特性（例えば、決定するために使用することができる）を述べる。時間が進むにつれて、フレームの初期ＡＵＲ２２０の長さは、第１のフレームの初期ＡＵＲ２２０、例えばｕ0,1から独立したｕ0に収束する。一実施例によれば、いくつかの初期フレームの後、ｕ0,1の過渡効果は消えて行き、システムはほぼ定常状態に入る。図５は、Ｋ＝２およびＤ＝１００のときの３つの場合、ｕ0,1＜ｕ0（上部５３０）、ｕ0,1＜ｕ0（中央５４０）、およびｕ0,1＞ｕ0（下部５５０）についてこの特性を示す。図示のように、ｕ0,f（実線曲線５１０）は、それぞれの場合において、実線曲線ｕ0（点線）の限界（例えば、素早く、急速に）に収束する。
【００７８】
上記と同様のアプローチを使用して、シーケンス｛ｕm,f｝f∈Nは、すべてのｍ∈｛１，２，．．．Ｋ｝に収束する。
【００７９】
以下の例示的な実施形態では、システムの定常状態分析が考慮される。この状態では、ｕ0,1＝ｕ0であると仮定する。システムは定常状態（図５）に留まり、すなわち、任意のｆおよびｆ’に対してｕm,f＝ｕm;f’である。したがって、すべてのフレームは、ＡＵＲ２２０の変化に関して他のフレームと同様である。その結果、以下に説明するような単一フレームの分析を、他のフレームの何れにも適用することができる。ｍ＝Ｋで方程式（６）を考慮し、ｕ0を（１５）で与えられる定常状態値で置き換えると、
【数２３】
2021528010.tif 000025
【００８０】
方程式（１６）を導く。
【００８１】
ここで、ｕKは、定常状態におけるＬＰＰ３１０の終了時ＤＣＰ３２０の開始時におけるＡＵＲ２２０である。ｕKはＫとＤの関数であることに留意されたい。
【数２４】
2021528010.tif 000026
は、定常状態における平均スループットを示すものとする。方程式（１６）で与えられる定常状態ｕKを有する方程式（１１）−（１３）を使用して、システムは決定する：
【数２５】
2021528010.tif 000027
【００８２】
方程式（１７）。
【００８３】
ここで、
【数２６】
2021528010.tif 000028
である。変換ｘ＝ｔ＝τ−Ｋを適用し、（１６）で与えられるｕＫの定常状態値を使用すると、
【数２７】
2021528010.tif 000029
【００８４】
方程式（１８）を得る。
【００８５】
ここで、
【数２８】
2021528010.tif 000030
と、α＝３／２である。このシステムは、方程式（１８）の積分を以下のように取ることによって
【数２９】
2021528010.tif 000031
の閉じた形の表現を決定する。
【００８６】
【数３０】
2021528010.tif 000032
方程式（１９）。
【００８７】
システムは、フレーム最適化を実施する。探査タイムスロットＫの数を増加させることは、方程式（１１）および方程式（１６）によるデータ伝送中にＡＵＲ２２０をより狭くすることに繋がる。したがって、平均スループットを潜在的に増加させることができるより高いビームフォーミング利得により、ＤＣＰ３２０においてより高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成することができる。一方、Ｋを増加させることは、データ通信に費やされる時間の分数（例えば、Ｄ／Ｋ＋Ｄ）を減少させ、平均スループットを減少させることができる。例示的な実施形態によれば、システムは、方程式（１９）で与えられる定常状態平均スループット
【数３１】
2021528010.tif 000033
を最大化するＫおよびＤの最適値を見つけるため最適化問題を定式化することに基づいてトレードオフを決定する。
【００８８】
この問題は、
【数３２】
2021528010.tif 000034
のように定式化される。
【００８９】
システムは２つのステップで最適化問題Π２を解決する。ｉ）システムはがＫ*＝１であることを証明し、ｉｉ）Ｋ＝Ｋ*＝１であると仮定しながらＤ*を見つける：
【００９０】
プロセス１は、Ｋの最適値がＫ*＝１であることを識別する。
【００９１】
システムはケース（Ｋ，Ｄ）とケース（１，Ｄ／Ｋ）を比較し、後者が前者より性能が優れていると決定する。直感的に、この手段は、パラメータτ、ｖｍａｘ、およびＡが与えられると、データ通信に費やされた時間の、位置探査に費やされた時間の割合であるＤ＝Ｋに対する最適値が存在する。
【００９２】
プロセス１を使用すると、システムは、以下のように問題Π２を単純化することができる。
【００９３】
【数３３】
2021528010.tif 000035
【００９４】
この問題を解決するために、システムは、まず、目的関数、厳密には領域上のＤと準凹である
【数３４】
2021528010.tif 000036
を決定する。
【００９５】
プロセス２は、
【数３５】
2021528010.tif 000037
がＲ+上のＤの厳密にいえば準凹関数であり、
【数３６】
2021528010.tif 000038
が、その最大値をとる固有のＤ*∈Ｒ+が存在することを識別する。
【００９６】
プロセス２は、問題Π３が準凹であることを意味する。さらに、問題Π３は一次元最適化問題であり、したがって、単純な一次元二分法を、対数数値計算量でＤ*を見つけるために適用することができる。
【００９７】
ＢＳ１１０は、準凹プログラミングを用いて最適なデータ通信持続時間を得る。準凹プログラミングは、この場合の最適解である固有解を決定するために実施することができる。
【００９８】
次に図６を参照すると、本発明の一実施形態による、通信遅延を伴うシナリオの一般化された前方分数探索が例示的に示されている。
【００９９】
図６にデルタで示す通信遅延は図６に示すように、ＡＵＲをさらに拡張するために実施することができる。
【０１００】
ミリ波システムにおける主なアプローチの一つは、ビームフォーミングを採用し、小さいビーム幅を生成するために多数のアンテナを使用することである。その結果、伝送範囲および平均スループットを増加させるために、高指向性ビームを使用することができる。しかし、実際には、実現できる最小ビーム幅は、その寸法だけでなくアンテナ素子の数を含むアンテナアレイのサイズの関数である。また、アンテナアレイのサイズの関数であるだけでなく、動的に制御することができる素子の数の関数でもある２つの異なるビーム間のビーム幅の変化の分解能も存在する。例えば、いくつかの展開は完全に制御可能ではないが、方位角方向に部分的に制御可能であり、仰角方向には制御不可能なアンテナアレイを使用する。別の実施例は、利得がコードブック内のビームのセットにわたって動的に制御されるシステムである。
【０１０１】
ビーム間の分解能と最小ビーム幅の両方が、実施例におけるシステムの設計に影響を及ぼす。例えば、システムは、最小ビーム幅θが仮定される場合、データ送信持続時間の最適解がそのような要件に適合しない可能性があると決定する。以下の補助定理は、最小ビーム幅制約を有する最適フレーム構造を提供する。
【０１０２】
補助定理３。ビーム幅θに最小限の制約がある場合、例えば、θ≧θminの場合、問題Π１の解は、Ｋ*＝１と
【数３７】
2021528010.tif 000039
であり、ここで、Ｄ*1は問題Π３の解であり、
【数３８】
2021528010.tif 000040
である。
【０１０３】
ＡＵＲ２２０の最小長さは、ＬＰＰ３１０の終了時でＤと共に増加する。
【０１０４】
ミリ波システムはしばしば、ビームフォーミング係数が特定の間隔で変更され得るベースバンドユニット（ＢＢＵ）の外側の外部構成要素として、合理的に小さなビーム幅を得るために必要な多数のアンテナを実現する。外部アンテナシステムはビームフォーミングの可能な柔軟性およびビームフォーミング係数の部分的または完全な制御のために、しばしば適応アンテナシステム（ＡＡＳ）と呼ばれる。ＡＡＳは通常、ＡＡＳとＢＢＵ間でやり取りされる必要がある様々な制御信号だけでなく、アップリンクおよびダウンリンクデータ全体を伝送する可能性のある限られた容量のファイバ接続を介してＢＢＵに接続される。他方、ビームフォーミング係数を非常に頻繁に変更することは、ＢＢＵとＡＡＳとの間の通信リンクに大きなオーバヘッドを課す可能性がある。その結果、実際には、ＡＡＳのビームがしばしば所与の時間間隔の倍数として実現される特定の（例えば、特有の）時間においてのみ（例えば）変更され得る。したがって、ＤＣＰ３２０中に連続的に増加する伝送ビーム幅の仮定は実用的ではない。この制約をモデル化するために、システムは、ＬＰＰ３１０およびＤＣＰ３２０の両方がタイムスロット化され、持続時間τを有する各タイムスロットの開始時にのみビームパターンが変更され得ると仮定する。ＬＰＰ３１０はすでにタイムスロット化されているため、この仮定は変更しないことに留意されたい。しかしながら、この仮定は、ＤＣＰ３２０が以前にタイムスロット化されていなかったので、ＤＣＰ３２０を変更する。その結果、Ｄは整数でなければならず、ビームパターンは、各タイムスロットの開始時にのみ変更することができる。したがって、ＤＣＰ３２０中の各タイムスロットにおいて、ＢＳ１１０は信頼性のある通信を有するため、タイムスロットの終了時にＡＵＲ２２０の長さに等しいビーム幅を使用しなければならない。この変更を使用すると、平均スループットは、
【数３９】
2021528010.tif 000041
【０１０５】
方程式（２０）である。
【０１０６】
ここで、ｕKは、定常状態において方程式（１６）によって与えられる。
【数４０】
2021528010.tif 000042
は、方程式（１７）においてτ→０として定義される
【数４１】
2021528010.tif 000043
に近づく。
【０１０７】
パケットは、特定のプリアンブルと、送信機のアドレスおよび意図された受信機のアドレスのような制御信号とをそれらのペイロードのそばに含むことが要求されるので、パケットτ０には最小サイズがある。ＬＰＰ３１０中はデータ通信がないため、最小パケットサイズを使用する方が効率的である。一方、ユーザからの探査パケットへの応答にσ秒かかる。つまり、単一パケットで探査する処理には少なくともτ’＋σが必要であり、これはτの最も近い整数倍に切り上げられる必要がある。
【０１０８】
ビームフォーミング係数を変化させるための時間の量子化のために、連続伝送時間の仮定は、それ以上保持しない。パケットはτの任意の倍数を含むことができ、そのような各時間隔においてのみ、ビームフォーミング係数を変更することができる。
【０１０９】
例示的な実施形態によれば、特定の条件下で、（ｋ，Ｄ）＝（１，１２）および（１，１３）を有する２つのフレーム構造を含むサイクルは、（１，１２）または（１，１３）の何れかを有する単一のフレーム構造より性能が優れている。
【０１１０】
プロセス１の量子化バージョンは、以下のように導き出することができる。サイクルを、夫々に（Ｋi，Ｄi）の探査長およびデータ送信持続時間の対がある複数のフレームの順序付けられた集合として定義し、ｃ個のフレームからなるサイクルを［（Ｋ1，Ｄ1），（Ｋ2，Ｄ2），…，（Ｋc，Ｄc）］として示すことができる。最適な定常状態サイクルにおける任意の２つのフレームのデータ通信持続時間はタイムスロット持続時間τ、例えば、｜Ｄi−Ｄj｜≦１が複数異なることはない。
【数４２】
2021528010.tif 000044
とする。連続的な場合と比較して量子化のこの結果の解釈は等しい長さのフレーム（（１，Ｄ／Ｋ）が最適である単一のフレーム）を有する代わりに、フレームが量子化持続時間によってだけ異なるサイズであってもよいことを明らかにする。本明細書で先に論じた２つのフレームの実施例はこの概念と調和し、最適解の構造への洞察を提供する。
【０１１１】
次に、図７を参照すると、本発明の一実施形態による、シミュレーションパラメータテーブル７００が例示的に示されている。
【０１１２】
図７に示されるように、テーブル７００は、シミュレーションにおいて使用され得る例示的なシステムパラメータ７１０をリストアップする。ベンチマークとして、システムは、移動ミリ波ネットワークにおける最適ビーム掃引と通信に基づくユーザ移動性を支援するビーム掃引方式の変動を分析する。
【０１１３】
テーブル７００から分かるように、パラメータは、距離ｄ（値５０ｍ）、探査タイムスロット持続時間ｒ（値２ミリ秒）、最大線形速度ｖrnax、周波数（６０ＧＨｚ）、帯域幅Ｗ（値２ＧＨｚ）、ＢＳ送信電力Ｐ（値１０−２０ｄＢｍ）、ノイズスペクトル密度ＮO（値−１７４ｄＢｍ／Ｈｚ）、および経路損失Ｌ（ｄ）（ｄＢ単位）（値、６８＋２０ｌｏｇ１０（ｄｍ単位））を含む。
【０１１４】
次に図８を参照すると、本発明の一実施形態による、送信電力の関数としての平均スループットが例示的に示されている。
【０１１５】
図８は、ｖmax＝１０ｍ／秒のときのＢＳ送信電力の関数としての平均スループットを示す。図８に示されるように、平均スループット（ｂｐｓ／Ｈｚ）（８０５）は、前方二分８１５、ビーム掃引８２０、および電気電子技術者協会（ＩＥＥＥ）８０２.１１（８２５）（８０２.１１無線ネットワーク規格の修正）についての送信電力（ｄＢｍ）（８１０）と比較される。
【０１１６】
本明細書に記載されるプロセスはビーム掃引８２０と比較すると、優れた結果（例えば、より高いビームフォーミング利得）を提供する。このプロセスは、ビーム掃引よりも、全体にわたって、より大きなものを提供する。特に、本明細書に記載されるＯｎ−ＦＳ処理は、より高いビームフォーミング利得を導くより狭いビームをＢＳ１１０が使用することを可能にするビーム掃引よりもＡＵＲ２２０の長さを減少させる。さらに、本明細書に記載される処理の性能はビームが本明細書に記載されるプロセスにおいて最適化されるときに、（例えば、ＩＥＥＥ８０２.１１（８２５）などの固定角度を使用するシステムと比較して）優れた結果をさらに提供する。
【０１１７】
ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態にしたがって、最大ユーザ速度の関数としてτによって正規化された最適データ通信フェーズ（ＤＣＰ）持続時間が実例として示されている。
【０１１８】
図９に示されるように、送信電力８１０の異なる値に対する最大ユーザ速度８３０の関数としてτによって正規化された最適なＤＣＰ持続時間が図示される。
【０１１９】
図９では、τ（例えば、Ｄ*）によって正規化された最適なＤＣＰ持続時間８３５が送信電力Ｐ（２０ｄＢｍ（曲線８４０）、１０ｄＢｍ（曲線８４５）および０ｄＢｍ（曲線８５０））の異なる値に対して、最大ユーザ速度８３０の関数としてプロットされている。Ｄ８３５の最適値は、最大ユーザ速度８３０が増加することにつれて減少する。したがって、ＢＳ１１０はユーザ（モバイル装置１２０）がより速く移動するとき、より頻繁に位置探査を実行する必要がある。さらに、Ｄ*はＰの増加と共に増加する。ＢＳ１１０が接続を維持するためＤＣＰ３２０の間のビーム幅を増加させるにつれて、より大きなＤ*はより大きなビーム幅およびＤＣＰ３２０の端部におけるより低いビームフォーミング利得をもたらす。しかしながら、より高い送信電力はこのより低い利得を補償することができ、より大きなＤ*をもたらす。
【０１２０】
次に、図１０を参照すると、本発明の一実施形態に従って、速度の関数としてのビーム追尾オーバヘッドが実例として示されている。
【０１２１】
図１０は、送信電力Ｐ（２０ｄＢｍ（曲線８４０）、１０ｄＢｍ（曲線８４５）および０ｄＢｍ（曲線８５０））の異なる値に対する最大ユーザ速度８３０の関数として、ビーム追尾オーバヘッド（％）（８５５）を示す。
【０１２２】
図１０はＫ*Ｋ*＋Ｄ*として定義されるＢＴオーバヘッドを図示し、ここで、Ｋ＊＝１はプロセス１（本明細書で上述）によるものであり、Ｄ＊は、二分法によって得られる。歩行速度（１−１：５ミリ／秒）の場合、本明細書に記載の方法におけるＢＴのオーバヘッドは約５％であることに留意されたい。
【０１２３】
次に図１１を参照すると、本発明の一実施形態による、ユーザ速度の関数としての平均スループットが実例として示されている。
【０１２４】
図１１は、送信電力Ｐ（２０ｄＢｍ（曲線８４０）、１０ｄＢｍ（曲線８４５）および０ｄＢｍ（曲線８５０））の異なる値に対する最大ユーザ速度ｖｍａｘ（８３０）の関数として、最適化された平均スループット
【数４３】
2021528010.tif 000045
（１，Ｄ*）８０５を図示する。方程式（４）によれば、ＡＵＲ２２０は、ｖｍａｘの値が大きいほど速く拡張する。その結果、ＢＳ１１０は低いビームフォーミング利得を回避するため、位置探査をより頻繁に行うことが要求される。しかしながら、これは、低い平均スループットをもたらすビーム追尾オーバヘッドを増加させる。
【０１２５】
図１２は、本発明の一実施形態による、ビーム幅が制約された場合の送信電力の関数としての平均スループットを図示する。
【０１２６】
図１２はアンテナの数が制限されているシステムについて、ビーム幅Θmin∈｛２°，４°，８°，１６°｝よりも大きく制約されている場合の、送信電力の関数としての平均スループットのプロットを図示する。Θmin∈｛２°，４°，８°，１６°｝の各々はそれぞれ、曲線８６０（太い線）、８６２（広い間隔の破線）、８６４（細い線）、および８６６（小さい間隔の破線）によって表される。より大きなθminは期待されるように、より低い平均スループットをもたらすより多くのビームフォーミング利得を制約する。さらに、送信電力に３ｄＢを加えることにより、最小ビーム幅を２倍にすることにより被るスループット損失を近似的に補償できる。
【０１２７】
次に図１３を参照すると、本発明の一実施形態による、実際の平均スループット対近似平均スループットが実例として示されている。
【０１２８】
例示的なシナリオによれば、ＬＰＰ３１０およびＤＣＰ３２０の両方がタイムスロット化され、ビームパターンは持続時間τを有する各タイムスロットの開始時にのみ修正することができる。図１３はｖｍａｘ＝１０ｍ／秒を考慮しながら、方程式（２０）で定義されるような実際の平均スループット（８７０）と、方程式（１９）によって提供されるような実際の平均スループット（８７５）の近似とを図示する。τは比較的小さいので、近似誤差は小さい。
【０１２９】
モバイルユーザを追尾することは、狭い伝送パターンが高い経路損失および厳しい追尾を克服するために利用されるミリ波システムにおいて不可避のタスクである。本明細書で開示される例示的な実施形態では、時間がフレームに分割される（各フレームがｉ）位置探査、およびｉｉ）データ通信の２つの段階からなる）ジョイントビーム追尾およびデータ通信スキームが提供される。第１の段階では、ＢＳ１１０がユーザフィードバックに基づいて、ユーザ位置に関する知識を送信探索および更新することによって、モバイルデ装置１２０の位置を特定するために、前方分数探索を実行する。第２の段階において、ＢＳ１１０は送信パターンを最短角度領域に一致させ、ＢＳ１１０はモバイル装置１２０が確実に位置し、接続を維持するために、送信ビーム幅を時間と共に拡張しながらデータ送信を開始する。
【０１３０】
次に図１４を参照すると、本発明の一実施形態による、最も類似したログのセットの検索に基づくシステム異常検出のための例示的なコンピュータシステム（例えば、サーバまたはネットワーク装置）が示されている。コンピュータシステム９００は、システムバス９０２を介して他の構成要素に動作可能に結合された少なくとも１つの処理装置（ＣＰＵ）９０５を含む。キャッシュ９０６、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）９０８、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９１０、入力／出力（Ｉ／Ｏ）アダプタ９２０、ネットワークアダプタ９９０、ユーザインタフェースアダプタ９５０、ロバストビーム追尾構成要素９８０、およびディスプレイアダプタ９６０を、システムバス９０２に動作可能に結合することができる。
【０１３１】
第１記憶装置９２２および第２記憶装置９２９は、Ｉ／Ｏアダプタ９２０によってシステムバス９０２に動作可能に結合することができる。記憶装置９２２および９２９はディスク記憶装置（例えば、磁気または光ディスク記憶装置）、ソリッドステート磁気装置などの何れかであってもよい。記憶装置９２２および９２９は、同じタイプの記憶装置であっても、異なるタイプの記憶装置であってもよい。記憶装置９２２および９２９のいずれかまたは両方を、システムイベントの様々なログ（例えば、異種ログ）を記憶するためのデータストアまたはデータベースとして動作するように構成することができる。ロバストビーム追尾構成要素９８０は、本明細書で説明されるようなソフトウェアおよび／またはハードウェアを含むことができる。
【０１３２】
送受信機９９５は、ネットワークアダプタ９９０によってシステムバス９０２に動作可能に結合することができる。ディスプレイ装置９６２は、ディスプレイアダプタ９６０によってシステムバス９０２に動作可能に結合される。データ通信構成要素９７５は、例えばロバストビーム追尾構成要素９８０を介して、直接または間接的にシステムバス９０２に動作可能に結合することができる。ロバストビーム追尾構成要素９８０は（例えば、データ通信構成要素９７５を介して）ロバストなビーム追尾およびデータ通信を実装する。ロバストビーム追尾構成要素９８０は時間をフレームに分割し、各々は、ｉ）分数探査手段がユーザの位置を特定するために実施される位置探査と、ｉｉ）基地局がビーム幅を拡大しながらユーザとのデータ通信を開始するデータ通信との２つの段階からなる。
【０１３３】
第１ユーザ入力装置９５２および第２ユーザ入力装置９５９は、ユーザインタフェースアダプタ９５０によってシステムバス９０２に動作可能に結合することができる。ユーザ入力装置９５２および９５９は、センサ、キーボード、マウス、キーパッド、ジョイスティック、画像キャプチャ装置、動き検出装置、電力測定装置、マイク、前述の装置のうちの少なくとも２つの機能を組み込んだ装置などのうちの任意のものとすることができる。もちろん、本発明によれば、他のタイプの入力装置を使用することもできる。ユーザ入力装置９５２および９５９は、同じタイプのユーザ入力装置または異なるタイプのユーザ入力装置とすることができる。ユーザ入力装置９５２および９５９は、システム９００との間で情報を入出力するために使用することができる。
【０１３４】
本発明の他の実施形態はグラフィック処理ユニット（“ＧＰＵ”）、マザーボード、または代わりに／追加的に他の記憶媒体、オペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションソフトウェア、ならびに１つ以上の通信インタフェース（例えば、ＲＳ２３２、イーサネット、Ｗｉ−Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＵＳＢ）を含むさらなる処理ユニットを任意に含むことができる。本発明の実施形態に任意に含まれるか、または一体体化し得るコンピューティング装置の有用な例は、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、ラップトップ、モバイルコンピューティング装置、タブレットＰＣ、およびサーバを含むが、これらに限定されない。本発明の実施形態によれば、イベント記録ログソースは、コンピュータ記憶媒体とすることができる。
【０１３５】
もちろん、コンピュータシステム９００は当業者によって容易に企図されるように、他の要素（図示せず）を含むこともでき、特定の要素を省略することもできる。例えば、当業者によって容易に理解されるように、他の様々な入力装置および／または出力装置は、その特定の実装に応じて、コンピュータシステム９００に含まれる。例えば、様々なタイプの無線および／または有線の入力および／または出力装置を使用することができる。さらに、様々な構成の追加のプロセッサ、コントローラ、メモリなども、当業者には容易に理解されるように利用することができる。コンピュータシステム９００のこれらおよび他の変形は本明細書で提供される本発明の教示を与えられれば、当業者によって容易に企図される。
【０１３６】
複数のコンピューティング装置は、クラスタ化されたコンピューティング装置およびサーババンク／ファームのような１つ以上のリソースを分散および共有するような方法で、コンピュータネットワークを形成するために動作可能にリンクすることができることが理解されるべきである。本発明の実施形態では、前述の要素（例えば、装置、媒体、ソース、またはモジュール）の各々はシステムの少なくとも１つの他の要素に（例えば、無線有線電子接続を介して）直接的または間接的に通信可能に接続することができる。以下により詳細に記載されるように、本発明のいくつかの実施形態は、単一のコンピューティング装置内に完全に含まれ得る。しかしながら、他の実施形態は、複数の相互接続されたまたはネットワーク化された装置およびリソースを包含することができる。
【０１３７】
次に、図１５を参照すると、本発明の一実施形態による、ロバストなビーム追尾およびデータ通信のための方法１０００が実例として示されている。
【０１３８】
ブロック１０１０で、ＢＳ１１０は時間を、２つの段階、ｉ）位置探査およびｉｉ）データ通信からなる各フレームに分割する。
【０１３９】
ブロック１０２０で、位置探索段階において、ＢＳ１１０は分数探索手段を使用して、異なるタイムスロットにわたって複数の探査パケットを送信し、モバイル装置１２０からのフィードバックに基づいてモバイル装置１２０の位置に関する情報（例えば、局１１０によって記憶される）を更新することによって、モバイル装置１２０の位置を特定する。
【０１４０】
ブロック１０３０において、データ通信段階において、ＢＳ１１０は可能なユーザ移動性を補償するためにビーム幅を拡張しながら、モバイル装置１２０とのデータ通信を開始する。
【０１４１】
ブロック１０４０において、ＢＳ１１０は例えば、図５に関して上述したように、性能の定常状態分析を決定する。
【０１４２】
ブロック１０５０において、ＢＳ１１０は、最適化問題を定式化し、定常状態の平均スループットを最大化する最適なフレーム構造を得る。
【０１４３】
本明細書に記載する実施形態は完全にハードウェアであってもよく、完全にソフトウェアであってもよく、またはハードウェアおよびソフトウェア要素の両方を含むものであってもよい。好ましい実施形態では、本発明がファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含むがこれらに限定されないソフトウェアで実施される。
【０１４４】
実施形態は、コンピュータまたは任意の命令実行システムによって、またはそれに関連して使用するプログラムコードを提供する、コンピュータ使用可能またはコンピュータ読み取り可能媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品を含むことができる。コンピュータ使用可能媒体またはコンピュータ可読媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスによって、またはそれに関連して使用するためのプログラムを格納、通信、伝搬、または搬送する任意の装置を含むことができる。媒体は、磁気、光学、電子、電磁気、赤外線、または半導体システム（または装置またはデバイス）、または伝搬媒体とすることができる。媒体は、半導体またはソリッドステートメモリ、磁気テープ、取り外し可能コンピュータディスケット、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、リジッド磁気ディスクおよび光ディスクなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むことができる。
【０１４５】
各コンピュータプログラムは本明細書に記載する手順を実行するために、記憶媒体または装置がコンピュータによって読み取られるときに、コンピュータの動作を構成し制御するために、汎用または特殊目的のプログラム可能コンピュータによって読み取り可能な、機械読み取り可能な記憶媒体または装置（例えば、プログラムメモリまたは磁気ディスク）に実体的に記憶することができる。本発明のシステムはまた、コンピュータプログラムで構成された、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体で具体化されるものと考えることができ、その場合、構成された記憶媒体は、コンピュータを特定の所定の方法で動作させて、本明細書に記載する機能を実行させる。
【０１４６】
プログラムコードを記憶および／または実行するのに適したデータ処理システムは、システムバスを介してメモリ要素に直接的または間接的に結合された少なくとも１つのプロセッサを含んでもよい。メモリ要素は、プログラムコードの実際の実行中に採用されるローカルメモリ、バルク記憶装置、および実行中にバルク記憶装置からコードが検索される回数を減らすために少なくとも何らかのプログラムコードの一時記憶を提供するキャッシュメモリを含むことができる。入力／出力またはＩ／Ｏ装置（キーボード、ディスプレイ、ポインティング装置などを含むが、これらに限定されない）は直接的に、または介在するＩ／Ｏコントローラを介して、システムに結合され得る。
【０１４７】
介在する専用ネットワークまたは公衆ネットワークを介して、データ処理システムを他のデータ処理システムあるいは遠隔プリンタまたは記憶装置に結合できるようにするために、ネットワークアダプタをシステムに結合することもできる。モデム、ケーブルモデム、およびイーサネットカードは、現在使用可能なネットワークアダプタのタイプの一例に過ぎない。
【０１４８】
以上の説明は、あらゆる点において、限定するものではなく例示的および典型的なものとして理解すべきであり、本明細書において開示されている本発明の範囲は、詳細な説明から決定されてはならず、そうではなく、特許法で許容されるすべての幅に応じて解釈される特許請求の範囲から決定されなければならない。本明細書において示され、かつ、説明された実施形態は、本発明についての単なる例示的なものにすぎないこと、また、当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な修正を加えることができることを理解されたい。当業者は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な他の特徴組合せを実現することが可能である。以上、本発明の態様について、特許法で要求される詳細および特異性と共に説明したが、特許請求され、特許証で保護されることが望ましいものは、添付の特許請求の範囲に説明されている。 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【国際調査報告】
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