JP7419116B2

JP7419116B2 - 通信中継装置

Info

Publication number: JP7419116B2
Application number: JP2020043812A
Authority: JP
Inventors: 敏則土井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-01-22
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: WO2021181755A1; JP2021145277A

Description

本発明の実施形態は、通信中継装置に関する。

５Ｇにおいて注目される技術の１つとしてビームフォーミングがある。ビームフォーミングは、複数のアンテナ素子を協調動作させ、任意の方向に電波のビームを形成することによって、カバレッジの拡大や、複数のユーザとの同時通信によるセル容量の拡大を実現する機能である。ビームフォーミングは、一般的には、超多素子のアンテナ（Massive MIMO）を用いて実現される。

一方、ビルや地下鉄等の屋内のカバレッジの対策として使用されるＤＡＳ（Digital Assort System）システムは、１つの無線基地局から出力される信号を、複数の子機のそれぞれが有するアンテナから同一のビームにより発射することで、複数の子機のそれぞれが有するアンテナから発射するビームが届く範囲を１つのセルとして通信エリアを構築可能なシステムである。

特開２０１７－１５３０３１号公報特開２０１１－４１００１号公報

しかしながら、ＤＡＳシステムにおいて、１つの通信エリアを構築する複数の子機のそれぞれのアンテナから発射されるビームは基本的に同一であるため、アンテナ毎に異なるビームを生成して、当該ビームを、通信エリア内に存在する携帯通信端末装置に向けて発射することは困難である。

実施形態の通信中継装置は、無線基地局と携帯通信端末装置との間の通信の中継を行う通信中継装置であり、指向性アンテナと、方向推定部と、制御部と、を備える。指向性アンテナは、複数のアンテナ素子を含むアンテナブロックを複数含む。方向推定部は、指向性アンテナによって携帯通信端末装置から無線で受信する電気信号の着信電力を検出し、当該着信電力の検出結果に基づいて、携帯通信端末装置が存在する方向である端末方向を推定し、指向性アンテナによって受信する電気信号がＰＲＡＣＨ信号である場合、複数のアンテナブロックのそれぞれから電波を発射する方向を第１速度で移動させて、端末方向を推定する。制御部は、指向性アンテナから電波を発射する方向を、方向推定部により推定する端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。制御部は、無線基地局から受信する信号が複数のストリームである場合、複数のストリームのそれぞれの電波を異なるアンテナブロックから発射し、複数のアンテナブロックのうち第１アンテナブロックから発射する電波を受信する携帯通信端末装置の端末方向が推定された場合、第１アンテナブロックから発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。方向推定部は、当該ビームフォーミングを実行後、第１アンテナブロックから電波を発射する方向を第１速度より遅い第２速度で移動させ、複数のアンテナブロックのうち第１アンテナブロックとは異なる第２アンテナブロックから電波を発射する方向を、第１速度で移動させ続ける。

図１は、本実施形態にかかる通信中継装置を適用した通信システムの一例を示す図である。図２は、本実施形態にかかる通信システムが有する子機の機能構成の一例を示す図である。図３は、本実施形態にかかる通信システムの子機が有する指向性アンテナから発射する電波のビームフォーミングの一例を説明するための図である。図４は、本実施形態にかかる通信システムの子機が有する指向性アンテナから発射する電波のビームフォーミングの一例を説明するための図である。図５は、本実施形態にかかる通信システムの子機が有する指向性アンテナから発射する電波のビームフォーミングの一例を説明するための図である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる通信中継装置を適用した通信システムの一例について説明する。

図１は、本実施形態にかかる通信中継装置を適用した通信システムの一例を示す図である。

まず、図１を用いて、本実施形態にかかる通信システムの構成の一例について説明する。

本実施形態にかかる通信システムは、ビルや地下鉄等の屋内、所謂、不感地帯のカバレッジ対策として使用されるＤＡＳ（Digital Assort System）システムに適用可能である。

本実施形態にかかる通信システムは、図１に示すように、無線基地局１と、親機２と、子機３－１～３－３と、を有する。以下の説明では、子機３－１～３－３を区別せず、任意の子機を示す場合には、子機３と記載する。

そして、親機２および子機３が、無線基地局１と携帯通信端末装置４との間の通信を中継している。ここで、携帯通信端末装置４は、携帯電話や、スマートフォン等である。

本実施形態では、子機３が、通信中継装置の一例として機能する。無線基地局１と親機２との間は、同軸ケーブルで接続されている。また、親機２と子機３との間は、イーサネット（登録商標）ケーブルや光ケーブル等により接続されている。

無線基地局１は、同軸ケーブルを介して、親機２との間で電気信号の送受信を行う。

親機２は、同軸ケーブルおよび光ケーブル等を介して、無線基地局１と子機３との間での電気信号の送受信を中継する。

子機３は、光ケーブル等を介して親機２から受信する電気信号（下り信号）を、指向性アンテナ３００を介して、携帯通信端末装置４に無線により送信する。

また、子機３は、指向性アンテナ３００を介して、携帯通信端末装置４から無線により電気信号を受信し、当該受信する電気信号（上り信号）を、光ケーブル等を介して親機２に送信する。

ところで、ＤＡＳシステムにおいては、一般的に、１つの通信エリアを構築する複数の子機のそれぞれのアンテナから発射されるビームは基本的に同一であるため（言い換えると、無線基地局から子機へ出力される電気信号が同一であるため）、子機が有するアンテナ毎に異なるビームを生成して、当該ビームを、携帯通信端末装置に向けて発射することは困難である。そのため、子機のアンテナ単位で、当該アンテナから発射されるビームのビームフォーミングを実現することができず、通信品質およびキャパシティの改善を図ることが困難である。

そこで、本実施形態では、子機３が有する指向性アンテナ３００単位で、当該指向性アンテナ３００から発射するビームのビームフォーミングを実現可能とする。これにより、携帯通信端末装置４が存在する位置に向けて、指向性アンテナ３００からビームを発射することを可能となる。その結果、通信システムにおける通信品質およびキャパシティの改善、および通信システムにおけるスループットの向上を図ることができる。

図２は、本実施形態にかかる通信システムが有する子機の機能構成の一例を示す図である。

次に、図２を用いて、本実施形態にかかる通信システムが有する子機３の機能構成の一例について説明する。

本実施形態では、子機３は、図２に示すように、指向性アンテナ３００、増幅部３０１、方向推定部３０２、ビームフォーマー制御部３０３、およびビームフォーマー３０４を有する。

指向性アンテナ３００は、子機３から電波を発射する方向を制御可能なアンテナである。本実施形態では、指向性アンテナ３００は、複数のアンテナ（例えば、平面アンテナ）を含み、当該複数のアンテナのそれぞれから発射する電波の位相を制御することにより、ビームフォーミングが実行可能なアンテナである。

増幅部３０１は、指向性アンテナ３００によって携帯通信端末装置４から無線で受信する電気信号を増幅する増幅部の一例である。本実施形態では、増幅部３０１は、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）回路等であり、指向性アンテナ３００によって無線で受信するＲＦ信号（アナログ信号、電気信号の一例）を増幅する。また、本実施形態では、増幅部３０１は、増幅した電気信号に含まれるノイズ等を除去するフィルタを有する。また、本実施形態では、子機３は、増幅部３０１を有しているが、指向性アンテナ３００によって無線で受信する電気信号のエネルギーが高い場合には、増幅部３０１を有していなくても良い。

方向推定部３０２は、増幅部３０１により増幅される電気信号の着信電力を検出する。本実施形態では、方向推定部３０２は、増幅部３０１により増幅される電気信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換し、当該デジタル信号に変換される電気信号のＲＳＳＩ（Received Signal Strength Indicator）を、着信電力として検出する。本実施形態では、方向推定部３０２は、デジタル信号に変換される電気信号の着信電力を検出しているが、アナログの電気信号をデジタル信号に変換せずに、アナログ信号の着信電力を検出しても良い。また、本実施形態では、方向推定部３０２は、増幅部３０１により増幅される電気信号の着信電力を検出しているが、増幅部３０１を有しない場合（すなわち、指向性アンテナ３００によって無線で受信する電気信号のエネルギーが高い場合）、指向性アンテナ３００によって無線で受信する電気信号の着信電力を検出するものとする。

また、方向推定部３０２は、電気信号の着信電力の検出結果に基づいて、携帯通信端末装置４が存在する方向である端末方向を推定する。本実施形態では、方向推定部３０２は、最大の着信電力が検出された方向を、携帯通信端末装置４が存在する端末方向として推定する。

また、方向推定部３０２は、指向性アンテナ３００によって受信する電気信号がＰＲＡＣＨ信号である場合、指向性アンテナ４００から電波を発射する方向を第１速度で移動させて、端末方向を推定する。

これにより、子機３と携帯通信端末装置４との間で通信を開始する際に、高速に、携帯通信端末装置４が存在する方向に向かって電波を発射することができる。その結果、子機３と携帯通信端末装置４との間で通信を開始する際における、通信システムにおける通信品質およびキャパシティの改善、および通信システムにおけるスループットの向上を図ることができる。

本実施形態では、方向推定部３０２は、指向性アンテナ４００が有する複数のアンテナのそれぞれから発射される電波の位相を制御して、当該電波を発射する方向を第１速度で移動させる。そして、方向推定部３０２は、指向性アンテナ４００から電波を発射した方向のうち、最大の着信電力が検出された方向を端末方向として推定する。

また、方向推定部３０２は、後述するビームフォーマー３０４によるビームフォーミングの実行後、指向性アンテナ４００から電波を発射する方向を、第２速度で移動させて、端末方向を推定する。

ここで、第２速度は、第１速度より遅い速度である。本実施形態では、第２速度は、指向性アンテナ４００から電波を発射する方向の移動による通信システムのスループットの低下が予め設定された値以下となる速度である。

これにより、後述するビームフォーマー３０４によるビームフォーミングの実行後、携帯通信端末装置４が移動したとしても、携帯通信端末装置４の移動に対して、指向性アンテナ４００から電波を発射する方向を追従させることができる。その結果、後述するビームフォーマー３０４によるビームフォーミングの実行後、携帯通信端末装置４が移動した場合における、通信システムにおける通信品質およびキャパシティの改善、および通信システムにおけるスループットの向上を図ることができる。

ビームフォーマー制御部３０３は、方向推定部３０２により推定される端末方向に向かって指向性アンテナ３００から電波が発射されるように、指向性アンテナ３００から発射する電波の位相を算出する。

ビームフォーマー３０４は、指向性アンテナ３００から発射される電波の位相を、ビームフォーマー制御部３０３により算出される位相に制御する。これにより、ビームフォーマー３０４は、指向性アンテナ３００から電波を発射する方向を、方向推定部３０２により推定される端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。したがって、本実施形態では、ビームフォーマー制御部３０３およびビームフォーマー３０４が、制御部の一例として機能する。

これにより、携帯通信端末装置４が存在する位置に向けて、指向性アンテナ３００からビームを発射することを可能となる。その結果、通信システムにおける通信品質およびキャパシティの改善、および通信システムにおけるスループットの向上を図ることができる。

図３～５は、本実施形態にかかる通信システムの子機が有する指向性アンテナから発射する電波のビームフォーミングの一例を説明するための図である。

次に、図３～５を用いて、子機３が有する指向性アンテナ３００から発射する電波のビームフォーミングの一例について説明する。

例えば、子機３が有する指向性アンテナ３００は、図３～５に示すように、４つのアンテナ（以下、アンテナブロックと言う）Ｂ１～Ｂ４を有する。以下の説明では、アンテナブロックＢ１～Ｂ４を区別せず、任意のアンテナブロックを示す場合には、アンテナブロックＢと記載する。ここで、各アンテナブロックＢは、１６個のアンテナ素子（以下、パッチと言う）Ｐを含む。

例えば、無線基地局１から受信する電気信号が４つのストリームである場合、ビームフォーマー３０４は、図３に示すように、４つのストリームのそれぞれの電波Ｄ１～Ｄ４を異なるアンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する。その後、指向性アンテナ３００によってＰＲＡＣＨ信号を受信した場合、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ１～Ｂ４のそれぞれから電波を発射する方向を第１速度で移動させて、端末方向を推定する。

そして、例えば、アンテナブロックＢ３から発射する電波を受信する携帯通信端末装置４の端末方向が推定された場合、ビームフォーマー３０４は、アンテナブロックＢ３が有する複数のパッチＰのそれぞれから発射する電波の位相を制御して、アンテナブロックＢ３から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。

また、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ３から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行後、当該アンテナブロックＢ３から電波を発射する方向を第２速度で移動させる。また、方向推定部３０２は、他のアンテナブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ４から電波を発射する方向については、当該アンテナブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ４から発射する電波を受信する携帯通信端末装置４の端末方向が推定されるまで、第１速度で移動させ続ける。

すなわち、ビームフォーマー３０４は、無線基地局１から受信する電気信号が複数のストリームである場合、当該複数のストリームのそれぞれの電波を異なるパッチＰから発射する。これにより、１つの子機３から異なる複数の電波を発射することができるので、通信システムにおけるスループットを向上させることができる。

また、例えば、無線基地局１から受信する電気信号が３つのストリームである場合、ビームフォーマー３０４は、図４に示すように、３つのストリームのそれぞれの電波Ｄ５～Ｄ７のうち、電波Ｄ５をアンテナブロックＢ１，Ｂ２から発射し、電波Ｄ６をアンテナブロックＢ３から発射し、電波Ｄ７をアンテナブロックＢ４から発射する。その後、指向性アンテナ３００によってＰＲＡＣＨ信号を受信した場合、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ１～Ｂ４のそれぞれから電波を発射する方向を第１速度で移動させ、端末方向を推定する。

そして、例えば、アンテナブロックＢ１，Ｂ２から発射する電波を受信する携帯通信端末装置４の端末方向が推定された場合、ビームフォーマー３０４は、図４に示すように、アンテナブロックＢ１，Ｂ２が有する複数のパッチＰのそれぞれから発射する電波の位相を制御して、アンテナブロックＢ１，Ｂ２から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。

この場合、２つのアンテナブロックＢ１，Ｂ２から発射する電波を端末方向に向けることができるので、推定された端末方向に位置する携帯通信端末装置４との通信のスループットを向上させることができる。

また、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ１，Ｂ２から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行後、当該アンテナブロックＢ１，Ｂ２から電波を発射する方向を第２速度で移動させる。また、方向推定部３０２は、他のアンテナブロックＢ３，Ｂ４から電波を発射する方向については、当該アンテナブロックＢ３，Ｂ４から発射する電波を受信する携帯通信端末装置４の端末方向が推定されるまで、第１速度で移動させ続ける。

また、例えば、無線基地局１から受信する電気信号が１つのストリームである場合、ビームフォーマー３０４は、図５に示すように、当該１つのストリームの電波Ｄ８をアンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する。その後、指向性アンテナ３００によりＰＲＡＣＨ信号を受信した場合、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ１～Ｂ４のそれぞれが発射する電波Ｄ８を発射する方向を第１速度で移動させ、端末方向を推定する。

そして、例えば、アンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する電波を受信する携帯通信端末装置４の端末方向が推定された場合、ビームフォーマー３０４は、図５に示すように、アンテナブロックＢ１～Ｂ４が有する複数のパッチＰのそれぞれから発射する電波の位相を制御して、アンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行する。

つまり、ビームフォーマー３０４は、無線基地局１から受信する電気信号が単一のストリームである場合、当該単一のストリームの単一の電波を複数のアンテナブロックＢから発射する。

この場合、４つのアンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する電波を端末方向に向けることができるので、推定された端末方向に位置する携帯通信端末装置４との通信のスループットをさらに向上させることができる。

また、方向推定部３０２は、アンテナブロックＢ１～Ｂ４から発射する電波を端末方向に向けるビームフォーミングを実行後、当該アンテナブロックＢ１～Ｂ４から電波を発射する方向を第２速度で移動させる。

このように、本実施形態にかかる通信システムによれば、ＤＡＳシステムにおいて、携帯通信端末装置４が存在する位置に向けて、子機３の指向性アンテナ３００からビームを発射することを可能となる。その結果、ＤＡＳシステムにおける通信品質およびキャパシティの改善、およびＤＡＳシステムにおけるスループットの向上を図ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１無線基地局
２親機
３子機
４携帯通信端末装置
３００指向性アンテナ
３０１増幅部
３０２方向推定部
３０３ビームフォーマー制御部
３０４ビームフォーマー
Ｂアンテナブロック
Ｐパッチ

Claims

無線基地局と携帯通信端末装置との間の通信の中継を行う通信中継装置であって、
複数のアンテナ素子を含むアンテナブロックを複数含む指向性アンテナと、
前記指向性アンテナによって前記携帯通信端末装置から無線で受信する電気信号の着信電力を検出し、当該着信電力の検出結果に基づいて、前記携帯通信端末装置が存在する方向である端末方向を推定し、前記指向性アンテナによって受信する前記電気信号がＰＲＡＣＨ信号である場合、複数の前記アンテナブロックのそれぞれから電波を発射する方向を第１速度で移動させて、前記端末方向を推定する方向推定部と、
前記指向性アンテナから電波を発射する方向を、前記方向推定部により推定する前記端末方向に向けるビームフォーミングを実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記無線基地局から受信する信号が複数のストリームである場合、前記複数のストリームのそれぞれの電波を異なる前記アンテナブロックから発射し、前記複数のアンテナブロックのうち第１アンテナブロックから発射する電波を受信する前記携帯通信端末装置の前記端末方向が推定された場合、前記第１アンテナブロックから発射する電波を前記端末方向に向けるビームフォーミングを実行し、
前記方向推定部は、当該ビームフォーミングを実行後、前記第１アンテナブロックから電波を発射する方向を前記第１速度より遅い第２速度で移動させ、複数の前記アンテナブロックのうち前記第１アンテナブロックとは異なる第２アンテナブロックから電波を発射する方向を、前記第１速度で移動させ続ける、通信中継装置。
前記指向性アンテナによって受信する前記電気信号を増幅する増幅部をさらに備え、
前記方向推定部は、前記増幅部により増幅される前記電気信号の着信電力を検出する請求項１に記載の通信中継装置。
前記制御部は、前記無線基地局から受信する信号が単一のストリームである場合、前記単一のストリームを前記複数のアンテナブロックから発射する請求項１または２に記載の通信中継装置。