JP7610166B2 - ビーム設定方法、ビーム設定装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ビーム設定方法、ビーム設定装置及びプログラムに関する。

高周波数帯に区分されるミリ波・準ミリ波を用いた無線通信として、３ＧＰＰ(3rd Generation Partnership Project) ５Ｇ(5th Generation) ＮＲ（New Radio）やＩＥＥＥ８０２．１１ａｄなどがある。これらの無線通信は、従来のマイクロ波帯と比較して広帯域を確保できることや、直進性が大きく他の通信への干渉が少ないなどの利点を有する。そのため、大容量無線を実現するための手段として実用化が進められている（例えば、非特許文献１）。

無線伝搬路の距離減衰量は周波数に応じて大きくなる。そのため、ミリ波帯における通信では、無線局装置において、通信相手となる無線局装置に向けて指向性ビームを形成（ビームフォーミング）して信号を送信することが一般的である。同様に、無線局装置において、指向性ビームを形成して信号を受信することも一般的である。

無線局装置は、形成可能な指向性ビームの中から対向に位置する無線局装置で受信電力が最大となるビームを選択する。ビーム選択は例えばＩＥＥＥ８０２．１１ａｄでは、ＳＬＳ（Sector Level Sweep）と呼ばれる手順により行われる（非特許文献２参照）。

図４は、ビーム選択を行う通信システム９の概念図である。通信システム９は、第１無線局装置９１及び第２無線局装置９２を含む。第１無線局装置９１は通信を送信する側（イニシエータ）であり、第２無線局装置９２は、第１無線局装置９１からの通信を受信する側（レスポンダ）である。第１無線局装置９１は、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信する。イニシエータにより行われる信号の順次送信はビームスイープと呼ばれる。第１無線局装置９１が形成可能なビームは予めＩＤと結び付けられており、第２無線局装置９２と共有されている。第２無線局装置９２は、第１無線局装置９１から送信された信号を最大ビーム幅のビームにより受信し、その受信電力を測定する。その後、第１無線局装置９１と第２無線局装置９２は、受信電力が最大となったビームのＩＤを共有し、第１無線局装置９１は共有したＩＤに対応するビームを選択する。

５Ｇ ＮＲにおいても同様に、複数のＳＳ／ＰＢＣＨ（Synchronization Signal/Physical Broadcast CHannel）と呼ばれる信号ブロックが、無線基地局装置のビームごとに時分割で順次送信され、対向に位置する無線局装置の受信電力が最も大きいビームが選択される。

なお、第２無線局装置９２が第１無線局装置９１に対してビームスイープを行い、ビームを選択してもよい。

滝波他、"ミリ波帯無線ＬＡＮシステムの標準化動向と要素技術"、電子情報通信学会通信ソサイエティマガジン、2016秋号、No.38、p.100-106 IEEE, "Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 3: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band" (IEEE Std 802.11ad-2012), 2012/12/28 T. Nishio, R. Arai, K. Yamamoto and M. Morikura, "Proactive traffic control based on human blockage prediction using RGBD cameras for millimeter-wave communications," 2015 12th Annual IEEE Consumer Communications and Networking Conference (CCNC), 2015, pp. 152-153, doi: 10.1109/CCNC.2015.7157963.

しかしながら、通信の周波数が高くなるにつれて、無線局装置が備えるアンテナ素子数は増加し、指向性ビームの幅は狭まる。前述したＳＬＳやＳＳ／ＰＢＣＨなどを用いるビーム選択方法では時分割かつ総当たりによりビームを選択することから処理時間が増加することがある。
本発明は、ビームを選択するときに処理時間を削減することを目的とする。

本発明の一態様は、第１無線局装置と第２無線局装置との間に見通しがあるか否かに基づいて行われる通信方法を予測する通信方法予測ステップと、前記通信方法予測ステップにより反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信するビームスイープにより送信されるビームの数を第１定数に設定する第１ビーム数設定ステップと、前記通信方法予測ステップにより見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、前記ビームスイープにより送信されるビームの数を、前記第１定数より小さい第２定数に設定する第２ビーム数設定ステップとを有するビーム設定方法である。

本発明の一態様は、第１無線局装置と第２無線局装置との間に見通しがあるか否かに基づいて行われる通信方法を予測する通信方法予測部と、前記通信方法予測部により反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信するビームスイープにより送信されるビームの数を第１定数に設定する第１ビーム数設定部と、前記通信方法予測部により見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、前記ビームスイープにより送信されるビームの数を、前記第１定数より小さい第２定数に設定する第２ビーム数設定部とを備えるビーム設定装置である。

本発明の一態様は、上記のビーム設定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。

見通し波を利用する通信と反射波を利用する通信の両方の通信に対応してビーム数を設定することができる。

第１無線局装置１１の構成例を示す図である。 第１無線局装置１１により送信されるビームを示す図である。 第１無線局装置１１により送信されるビームを示す図である。 第１無線局装置１１が行うビームスイープの方法を示すフローチャートである。 ビーム選択を行う通信システム９の概念図である。

図１は、第１無線局装置１１の構成例を示す図である。第１無線局装置１１は、アンテナ１１０、無線通信部１１１、データ処理部１１２、ビームスイープ部１１３、ビームモード設定部１１４、通信方法予測部１１５及び使用ビーム決定部１１６を備える。無線通信部１１１は、データ処理部１１２から入力されたデータをアンテナ１１０により送信する。また、無線通信部１１１は、アンテナ１１０が受信したデータをデータ処理部１１２に出力する。

データ処理部１１２は、上位ネットワークまたはそのインタフェース（図示しない）から入力されたデータを無線通信部１１１に出力する。データ処理部１１２は、無線通信部１１１から入力されたデータを、上位ネットワークまたはそのインタフェースに出力する。

ビームスイープ部１１３は、無線通信部１１１を制御し、定期的にビームスイープを行う。ビームモード設定部１１４は、通信方法予測部１１５による予測結果に基づきビームスイープ部１１３が行うビームスイープにおけるビーム数を設定する。

無線通信部１１１がビームスイープするときのビーム数は、例えば第１定数又は第２定数として設定される。第１定数及び第２定数は正の整数値であって、第１定数は第２定数よりも大きい値である。図２Ａ及び図２Ｂは、第１無線局装置１１により送信されるビームを示す図である。図２Ａに示す第１無線局装置１１がビームスイープするビーム数は第１定数であり、例えば９つである。第１定数は、無線通信部が取り得る全てのビームの数であってよい。図２Ｂに示す第１無線局装置１１がビームスイープするビーム数は第２定数であり、例えば５つである。ビーム数が第１定数であるビームスイープを第１スイープモードと呼び、ビーム数が第２定数であるビームスイープを第２スイープモードと呼ぶ。

第１スイープモード及び第２スイープモードにおいて、第１無線局装置１１がとりうるビームのうちどのビームをスイープするか否かは対向に位置する第２無線局装置１２の位置や周囲の伝播環境により変化してもよい。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいては第１スイープモードにおけるビーム数は９であり、第２スイープモードにおけるビーム数は５であるがこれに限られない。

図２Ａに示す第１スイープモードにおいては、ビーム♯１～♯９までの９つのビームでビームスイープを行うのに対し、図２Ｂに示す第２スイープモードにおいては、ビーム♯３～♯７までの５つのビームでビームスイープを行う。高周波数帯においては電波の直進性が高く、見通し波を利用した通信となる可能性が高い。つまり、ある時点において選択されたビームが♯５であった場合に次に選択されるビームはその近傍のビーム♯４及び♯６である可能性が高く、ビーム♯１及び♯９が選択される可能性は低い。そのため、ビーム♯１及び♯９はビームスイープを行わなくても適切にビーム選択することが多い。よって、見通し波を利用した通信の場合は、第１スイープモードと比較して第２スイープモードの方がスイープするビームの数が少なく処理時間を削減しつつ適切なビームを選択することができる。

その一方、第１スイープモードは第１無線局装置１１が反射波を利用して通信をする場合に有効である。例えば、第１無線局装置１１と第２無線局装置１２の間に遮蔽物が存在する場合に、第１無線局装置１１はビーム♯１または９を使用して反射物に反射させ第２無線局装置１２と通信を行うことが考えられる。

通信方法予測部１１５は、反射波を利用する通信方法と見通し波を利用する通信方法のうち、どちらの通信方法で通信が行われるかを予測する。通信方法予測部１１５は、例えば周囲の環境の見通しに基づいて、行われる通信の方法を予測する。通信方法予測部１１５は、第１無線局装置１１と通信相手である第２無線局装置１２との間の通信の見通しに基づいて、行われる通信方法を予測する。通信方法予測部１１５は、例えばＲＧＢ－Ｄカメラを使用して遮蔽物を検出した場合に、行われる通信が反射波を使用した通信方法による通信であると予測する（遮蔽物の検出方法は非特許文献３など参照）。通信方法予測部１１５は、例えばビームスイープ部１１３が選択したビームと当該ビームを選択する前に選択していたビームとの間の方向差が一定値以下である場合に、行われる通信が見通し波を利用した通信方法による通信であると予測する。

使用ビーム決定部１１６は、通信に使用するビームを決定する。使用ビーム決定部１１６は、第２無線局装置１２により送信されたデータに基づいて通信に使用するビームを決定する。第２無線局装置１２により送信されるデータは、例えば、第１無線局装置１１がビームスイープしたときのそれぞれのビームの受信強度のデータである。このとき、使用ビーム決定部１１６は、受信強度が最も大きいビームを通信に使用するビームと決定する。第２無線局装置１２により送信されるデータは、第１無線局装置１１がビームスイープしたときのそれぞれのビームのうち、受信強度が最も大きいビームに対応するＩＤであってもよい。このとき、使用ビーム決定部１１６は、ＩＤに対応するビームを通信に使用するビームと決定する。

図３は、第１無線局装置１１が行うビームスイープの方法を示すフローチャートである。初めに通信方法予測部１１５が行われる通信の方法を予測する（ステップＳ１）。見通しがない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ビームモード設定部１１４はスイープモードを第１スイープモードに設定する（ステップＳ３１）。見通しがある場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ビームモード設定部１１４はスイープモードを第２スイープモードに設定する（ステップＳ３２）。なお、既にスイープモードが第１スイープモードに設定されている場合に通信方法予測部１１５により見通しがないと判定された場合、ビームモード設定部１１４はスイープモードを第１スイープモードに設定せず既存の設定を維持すればよい。また、既にスイープモードが第２スイープモードに設定されている場合に通信方法予測部１１５により見通しがあると判定された場合、ビームモード設定部１１４はスイープモードを第２スイープモードに設定せず既存の設定を維持すればよい。

その後、ビームスイープ部１１３は設定されたスイープモードに従って、ビームスイープを行う（ステップＳ４）。第２無線局装置１２は第１無線局装置１１から送信されるビームを受信し（ステップＳ５）、受信強度に関するデータを第１無線局装置１１に送信する（ステップＳ６）。その後、使用ビーム決定部１１６は、受信強度に関するデータに基づいて通信に使用するビームを決定する（ステップＳ７）

第１無線局装置１１は以上の構成により、行われる通信方法が見通し波を利用した通信であると予測する場合には使用しているビームの近傍のビームが選択される可能性が高いため、ビーム数の少ない第２スイープモードでビームスイープを行い、スイープにかかる処理時間を削減する。その一方で行われる通信方法が反射波を利用した通信であると予測する場合には使用しているビームの近傍のビームに含まれていないビームが選択される可能性があるため、ビーム数の多い第１スイープモードでビームスイープを行い、通信に適切なビームをより確実に発見する。これにより、伝送効率と通信品質を両立することができる。

以上、この発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

スイープモードは第１スイープモード及び第２スイープモードの２つに限られない。例えば、スイープモードは３つ以上であって、スイープモードに対応するビーム数はそれぞれ異なってもよい。このとき、通信方法予測部１１５が見通し波を使用する通信方法により通信が行われると予測したときは、ビームモード設定部１１４は、設定中のスイープモードから、設定中のスイープモードに対応するビーム数の次に小さいビーム数のスイープモードに変更する。通信方法予測部１１５が反射波を使用する通信方法により通信が行われると予測したときは、ビームモード設定部１１４は、設定中のスイープモードから、設定中のスイープモードに対応するビーム数の次に大きいビーム数のスイープモードに変更する。これにより、スイープするビームの数を段階的に増減させることができる。

ビームモード設定部１１４は、ビームスイープを行うときに通信方法予測部１１５による予測に基づいてビームモードを設定したが、これに限られない。例えば、ビームモード設定部１１４は、通信方法予測部１１５がその時点までに一定回数以上見通し波を使用する通信方法により通信が行われると予測した場合に第１スイープモードから第２スイープモードに設定を変更してもよい。

上述した実施形態における第１無線局装置１１及び第２無線局装置１２の一部または全部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

１１、９１ 第１無線局装置、１２、９２ 第２無線局装置、１１０ アンテナ、１１１ 無線通信部、１１２ データ処理部、１１３ ビームスイープ部、１１４ ビームモード設定部、１１５ 通信方法予測部、１１６ 使用ビーム決定部

Claims (6)

1. 第１無線局装置と第２無線局装置との間に見通しがあるか否かに基づいて行われる通信方法を予測する通信方法予測ステップと、
   前記通信方法予測ステップにより反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信するビームスイープにより送信されるビームの数を第１定数に設定する第１ビーム数設定ステップと、
   前記通信方法予測ステップにより見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、前記ビームスイープにより送信されるビームの数を、前記第１定数より小さい第２定数に設定する第２ビーム数設定ステップと、
   を有し、
   前記第１ビーム数設定ステップは、一定回数以上反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を前記第１定数に設定し、
   前記第２ビーム数設定ステップは、一定回数以上見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を前記第２定数に設定する、
   ビーム設定方法。
2. 第１無線局装置と第２無線局装置との間に見通しがあるか否かに基づいて行われる通信方法を予測する通信方法予測ステップと、
   前記通信方法予測ステップにより反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信するビームスイープにより送信されるビームの数を設定されている数よりも大きい数に設定する第１ビーム数設定ステップと、
   前記通信方法予測ステップにより見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、前記ビームスイープにより送信されるビームの数を設定されている数よりも小さい数に設定する第２ビーム数設定ステップと、
   を有し、
   前記第１ビーム数設定ステップは、一定回数以上反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を設定されている数よりも大きい数に設定し、
   前記第２ビーム数設定ステップは、一定回数以上見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を設定されている数よりも小さい数に設定する、
   ビーム設定方法。
3. 前記通信方法予測ステップは、第１無線局装置と第２無線局装置との間に遮蔽物を検出した場合に、反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測する、
   請求項１又は２に記載のビーム設定方法。
4. 前記通信方法予測ステップは、使用されると決定されたビームと前記決定されたビームが決定される前に使用されていたビームとの間の方向差が一定値以下である場合に、見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のビーム設定方法。
5. 第１無線局装置と第２無線局装置との間に見通しがあるか否かに基づいて行われる通信方法を予測する通信方法予測部と、
   前記通信方法予測部により反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、形成可能なビームを用いた信号を時分割で順次送信するビームスイープにより送信されるビームの数を第１定数に設定する第１ビーム数設定部と、
   前記通信方法予測部により見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合、前記ビームスイープにより送信されるビームの数を、前記第１定数より小さい第２定数に設定する第２ビーム数設定部と、
   を備え、
   前記第１ビーム数設定部は、一定回数以上反射波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を前記第１定数に設定し、
   前記第２ビーム数設定部は、一定回数以上見通し波を使用する通信方法で通信が行われると予測された場合に前記ビームスイープにより送信されるビームの数を前記第２定数に設定する、
   ビーム設定装置。
6. コンピュータに請求項１から４のいずれか一項に記載のビーム設定方法を実行させるプログラム。

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