CN111684738B - 无线中继装置及通信系统 - Google Patents

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Abstract

提供不必设置专用线路就能够对实现三维化网络的无线中继装置的状态进行监视的无线中继装置。一种无线中继装置，能在上空飞行移动，具备：第一天线，其用于与设置在地上或海上的通信网侧的网关站之间收发馈线链路的无线信号；第二天线，其用于与终端装置之间收发服务链路的无线信号；中继处理部，其设置在第一天线与第二天线之间，对馈线链路的无线信号和服务链路的无线信号进行中继；信息取得部，其取得与该无线中继装置的状态相关的监视信息；以及信息通信部，其经由馈线链路向网关站发送监视信息。

Description

无线中继装置及通信系统
技术领域
本发明涉及适于构筑第五代通信的三维化网络的HAPS(高空平台站)等无线中继装置和通信系统。
背景技术
以往，已知将作为移动通信系统的通信规范的3GPP的LTE(Long Term Evolution：长期演进)-Advanced(参照非专利文献1)发展而成的被称为LTE-AdvancedPro的通信规范(参照非专利文献2)。在该LTE-AdvancedPro中，制定了用于提供与近年来的面向IoT(Internet of Things：物联网)的设备进行通信的规格。而且，已在研究支持与面向IoT的设备等众多终端装置(也称为“UE(用户装置)”、“移动台”、“通信终端”。)的同时连接、低延迟化等的第五代移动通信(例如，参照非专利文献3)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：3GPP TS 36.300 V10.12.0(2014-12).
非专利文献2：3GPP TS 36.300 V13.5.0(2016-09).
非专利文献3：G.Romano，“3GPP RAN progress on“5G””，3GPP，2016.
发明内容
发明要解决的问题
在上述第五代移动通信等中存在如下技术问题：要在不设置专门线路的前提下对在与包括面向IoT的设备在内的终端装置之间的无线通信中实现三维化网络的无线中继装置的状态进行监视。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的一方面所涉及的无线中继装置是能在上空飞行移动的无线中继装置，具备：第一天线，其用于与设置在地上或海上的通信网侧的网关站之间收发馈线链路的无线信号；第二天线，其用于与终端装置之间收发服务链路的无线信号；中继处理单元，其设置在上述第一天线与上述第二天线之间，对上述馈线链路的无线信号和上述服务链路的无线信号进行中继；信息取得单元，其取得与该无线中继装置的状态相关的监视信息；以及信息通信单元，其经由上述馈线链路向通信网侧发送上述监视信息。
在上述无线中继装置中，也可以是，还具备控制单元，其基于控制信息来控制该无线中继装置，上述信息通信单元经由上述馈线链路接收上述控制信息。在此，也可以是，上述控制信息包含目标飞行路线信息。
另外，在上述无线中继装置中，也可以是，上述信息通信单元具有：监视用天线，其用于针对上述第二天线与上述中继处理单元之间的服务链路信号路径进行上述服务链路的无线信号的收发；以及信号转换单元，其进行经由上述监视用天线收发的服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述监视信息的数据信号或上述控制信息的数据信号之间的转换。
另外，在上述无线中继装置中，也可以是，上述信息通信单元具有：定向耦合器或分配合成器，其设置在上述第二天线与上述中继处理单元之间的服务链路信号路径中；以及信号转换单元，其进行经由上述定向耦合器或分配合成器收发的服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述监视信息的数据信号或上述控制信息的数据信号之间的转换。
另外，在上述无线中继装置中，也可以是，上述监视信息包含该无线中继装置的当前位置、飞行路线历史信息、空速、地速和推进方向、该无线中继装置的周边的气流的风速和风向、以及该无线中继装置的周边的气压和气温中的至少一种信息，还可以是，上述监视信息包含与上述网关站之间的馈线链路的通信质量的信息以及与上述终端装置之间的服务链路的通信质量的信息中的至少一方。
另外，在上述无线中继装置中，也可以是，上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率相互不同，上述中继处理单元具有上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率之间的频率转换功能。
另外，在上述无线中继装置中，也可以是，上述网关站是连接于移动通信的基站的转发器母机，该无线中继装置是与上述转发器母机进行无线通信的转发器子机。
另外，也可以是，上述无线中继装置是移动体通信的基站。
本发明的一方面所涉及的通信系统具备：任意一个无线中继装置；通信网侧的网关站，其经由馈线链路与上述无线中继装置进行通信；以及通信网侧的监视装置，其接收在上述无线中继装置中使用的监视信息。
发明效果
根据本发明，能够将与实现三维化网络的无线中继装置的状态相关的监视信息经由该无线中继装置所利用的馈线链路发送到通信网侧，因此，不必设置专用线路就能够监视无线中继装置的状态。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的实现三维化网络的通信系统的整体构成的一例的概略构成图。
图2是示出实施方式的通信系统所使用的HAPS的一例的立体图。
图3是示出实施方式的通信系统所使用的HAPS的另一例的侧视图。
图4是示出实施方式的由多个HAPS在上空形成的无线网络的一例的说明图。
图5是示出再一个实施方式所涉及的实现三维化网络的通信系统的整体构成的一例的概略构成图。
图6是示出实施方式的HAPS的无线中继站的一构成例的框图。
图7是示出实施方式的HAPS的无线中继站的另一构成例的框图。
图8是示出实施方式的HAPS的无线中继站的再一构成例的框图。
图9是示出参考例所涉及的HAPS监视系统的构成的框图。
图10是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的一构成例的框图。
图11是示出图10的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。
图12是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的另一构成例的框图。
图13是示出图12的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。
图14是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的再一构成例的框图。
图15是示出图14的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。
图16是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的再一构成例的框图。
图17是示出图16的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。
图18是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统中的HAPS的另一构成例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的通信系统的整体构成的一例的概略构成图。
本实施方式所涉及的通信系统适于实现支持与众多终端装置的同时连接、低延迟化等的第五代移动通信的三维化网络。另外，能在本说明书所公开的通信系统、无线中继站、基站、转发器和终端装置中应用的移动通信的标准规范包含第五代的移动通信的标准规范、以及第五代以后的一代接一代移动通信的标准规范。
如图1所示，通信系统具备多个作为空中漂浮型的通信中继装置(无线中继装置)的高空平台站(HAPS)(也称为“高空伪卫星”。)10、20。HAPS10、20位于规定高度的空域，在规定高度的小区形成目标空域40形成如图中影线区域所示那样的三维小区(三维区域)41、42。HAPS10、20是在漂浮体(例如，太阳能飞机、飞艇)搭载无线中继站而成的，该漂浮体通过自主控制或来自外部的控制而被控制为以悬浮或者飞行的方式位于离地面或海面100[km]以下的高空的空域(漂浮空域)50。
HAPS10、20所在的空域50例如是高度为11[km]以上和50[km]以下的平流层的空域。该空域50也可以是气象条件比较稳定的高度为15[km]以上25[km]以下的空域，尤其可以是高度为大致20[km]的空域。图中的Hrsl和Hrsu分别表示出以地面(GL)为基准的HAPS10、20所在的空域50的下端和上端的相对高度。
小区形成目标空域40是由本实施方式的通信系统中的1个或2个以上的HAPS形成三维小区的目标空域。小区形成目标空域40是位于HAPS10、20所在的空域50与以往的宏小区基站等基站(例如LTE的eNodeB)90所覆盖的地面近旁的小区形成区域之间的、规定高度范围(例如，50[m]以上1000[m]以下的高度范围)的空域。图中的Hcl和Hcu分别表示出以地面(GL)为基准的小区形成目标空域40的下端和上端的相对高度。
此外，本实施方式的形成三维小区的小区形成目标空域40也可以是海、河或湖的上空。
HAPS10、20的无线中继站分别朝向地面形成用于与作为移动台的终端装置进行无线通信的波束100、200。终端装置可以是集成于作为可远程操纵的小型直升机等飞行器的无人机60的通信终端模块，也可以是在飞机65中用户所使用的用户装置。在小区形成目标空域40中波束100、200所通过的区域为三维小区41、42。在小区形成目标空域40中相互相邻的多个波束100、200也可以部分地重叠。
HAPS10、20的无线中继站分别是例如与地上(或海上)侧的连接于核心网络的作为中继站的网关站(也称为“馈线站”。)70进行无线通信的基站、或者与地上(或海上)侧的连接于基站的作为中继站的馈线站(转发器母机)70进行无线通信的转发器子机。HAPS10、20的无线中继站分别经由设置在地上或海上的馈线站70连接于移动通信网80的核心网络。HAPS10、20与馈线站70之间的通信可以是通过微波等电波进行的无线通信，也可以是使用了激光等的光通信。
HAPS10、20也可以分别通过由集成于内部的计算机等构成的控制部执行控制程序，来对自身的漂浮移动(飞行)、无线中继站中的处理进行自主控制。例如，HAPS10、20分别可以取得自身的当前位置信息(例如GPS位置信息)、预先存储的位置控制信息(例如，飞行计划信息)、位于周边的其它HAPS的位置信息等，基于这些信息对漂浮移动(飞行)、无线中继站中的处理进行自主控制。
另外，HAPS10、20各自的漂浮移动(飞行)、无线中继站中的处理也可以设为能够由设置于移动通信网80的通信中心等的作为管理装置的监视装置(也称为“远程控制装置”。)85来控制。监视装置85例如能够由PC等计算机装置、服务器等构成。在该情况下，HAPS10、20也可以为了能够接收来自监视装置85的控制信息或向监视装置85发送监视信息等各种信息而集成有控制用通信终端装置(例如，移动通信模块)，并为了能够从监视装置85进行识别而被分配终端识别信息(例如，IP地址、电话号码等)。控制用通信终端装置的识别也可以使用通信接口的MAC地址。另外，HAPS10、20也可以分别将与自身或周边的HAPS的漂浮移动(飞行)、无线中继站中的处理相关的信息、与HAPS10、20的状态相关的信息、由各种传感器等取得的观测数据等监视信息发送到监视装置85等规定的发送目的地。控制信息可以包含HAPS的目标飞行路线信息。监视信息可以包含HAPS10、20的当前位置、飞行路线历史信息、空速、地速和推进方向、HAPS10、20的周边的气流的风速和风向、以及HAPS10、20的周边的气压和气温中的至少一种信息。
在小区形成目标空域40中，有可能产生HAPS10、20的波束100、200未通过的区域(未形成三维小区41、42的区域)。为了填补该区域，也可以如图1的构成例那样具备从地上侧或海上侧朝向上方形成放射状的波束300来形成三维小区43而进行ATG(Air To Ground：空对地)连接的基站(以下称为“ATG站”。)30。
另外，也可以不使用ATG站30，而是调整HAPS10、20的位置、波束100、200的发散角(波束宽度)等，由此，HAPS10、20的无线中继站以使得在小区形成目标空域40无漏洞地形成三维小区的方式，形成将小区形成目标空域40的上端面的整体覆盖的波束100、200。
此外，由上述HAPS10、20形成的三维小区也可以形成为到达地面或海面，以使得与位于地上或海上的终端装置之间也能够进行通信。
图2是示出实施方式的通信系统所使用的HAPS10的一例的立体图。
图2的HAPS10是太阳能飞机类型的HAPS，具备长边方向的两端部侧沿着上方的主机翼部101、以及在主机翼部101的短边方向的一端缘部具备作为总线动力系的推进装置的多个由马达驱动的螺旋桨103。在主机翼部101的上表面，设置有作为具有太阳能发电功能的太阳能发电部的太阳能发电板(以下称为“太阳能板”。)102。另外，在主机翼部101的下表面的长边方向的2个部位，经由板状的连结部104连结有作为收纳任务设备的多个设备收纳部的吊舱105。在各吊舱105的内部收纳有作为任务设备的无线中继站110、以及电池106。另外，在各吊舱105的下表面侧设置有起飞和着陆时使用的车轮107。由太阳能板102发出的电力蓄积到电池106，利用从电池106供应的电力，对螺旋桨103的马达进行旋转驱动，由无线中继站110执行无线中继处理。
太阳能飞机类型的HAPS10例如通过进行盘旋飞行或进行8字型飞行而以升力漂浮，能够以按规定的高度停留于水平方向的规定的范围的方式漂浮。此外，太阳能飞机类型的HAPS10在螺旋桨103未被进行旋转驱动时，也能够如滑翔机那样飞翔。例如，可以在白天等通过太阳能板102的发电而电池106的电力有富余时上升到高的位置，在夜晚等无法通过太阳能板102发电时停止从电池106向马达供电而如滑翔机那样飞翔。
另外，HAPS10具备作为用于与其它HAPS、人造卫星进行光通信的通信部的三维兼容指向性的光天线装置130。此外，在图2的例子中，在主机翼部101的长边方向的两端部配置有光天线装置130，但也可以在HAPS10的其它部位配置光天线装置130。此外，用于与其它HAPS、人造卫星进行光通信的通信部不限于进行这样的光通信，也可以是进行通过微波等电波的无线通信等通过其它方式的无线通信。
图3是示出实施方式的通信系统所使用的HAPS20的另一例的立体图。
图3的HAPS20是无人飞艇类型的HAPS，有效载荷大，因此能够搭载大容量的电池。HAPS20具备：飞艇主体201，其填充有用于以浮力进行漂浮的氦气等气体；由马达驱动的螺旋桨202，其作为总线动力系的推进装置；以及设备收纳部203，其收纳任务设备。在设备收纳部203的内部收纳有无线中继站210和电池204。利用从电池204供应的电力，对螺旋桨202的马达进行旋转驱动，由无线中继站210执行无线中继处理。
此外，也可以在飞艇主体201的上表面设置具有太阳能发电功能的太阳能板，将由太阳能板发出的电力蓄积到电池204。
另外，无人飞艇类型的HAPS20也具备作为用于与其它HAPS、人造卫星进行光通信的通信部的三维兼容指向性的光天线装置230。此外，在图3的例子中，在飞艇主体201的上表面部和设备收纳部203的下表面部配置有光天线装置230，但也可以在HAPS20的其它部分配置光天线装置230。此外，用于与其它HAPS、人造卫星进行光通信的通信部不限于进行这样的光通信，也可以是进行通过微波等电波的无线通信等通过其它方式的无线通信。
图4是示出实施方式的由多个HAPS10、20在上空形成的无线网络的一例的说明图。
多个HAPS10、20以能够在上空相互通过光通信进行HAPS间通信的方式构成，形成能够在广大区域内稳定地实现三维化网络的鲁棒性优异的无线通信网络。该无线通信网络也能够作为根据各种环境、各种信息进行动态路由的自组织网络发挥功能。上述无线通信网络能够以具有二维或三维的各种拓扑的方式形成，例如，可以如图4所示的那样是网格型的无线通信网络。
图5是示出另一个实施方式所涉及的通信系统的整体构成的一例的概略构成图。
此外，在图5中，对于与前述的图1共同的部分标注相同的附图标记，省略其说明。
在图5的实施方式中，HAPS10与移动通信网80的核心网络之间的通信是经由馈线站70和低轨道的人造卫星72来进行的。在该情况下，人造卫星72与馈线站70之间的通信可以通过由微波等电波进行的无线通信来进行，也可以通过使用了激光等的光通信来进行。另外，HAPS10与人造卫星72之间的通信是通过使用了激光等的光通信来进行的。
图6是示出实施方式的HAPS10、20的无线中继站110、210的一构成例的框图。
图5的无线中继站110、210是转发器类型的无线中继站的例子。无线中继站110、210分别具备3D小区形成天线部111、收发部112、馈送用天线部113、收发部114、转发器部115、监视控制部116以及电源部117。而且，无线中继站110、210分别具备用于HAPS间通信等的光通信部125、以及波束控制部126。
3D小区形成天线部111具有朝向小区形成目标空域40形成放射状的波束100、200的天线，形成能与终端装置进行通信的三维小区41、42。收发部112与3D小区形成天线部111一起构成第一无线通信部，具有收发共用器(DUP：DUPlexer)、放大器等，经由3D小区形成天线部111向存在于三维小区41、42的终端装置发送无线信号或从终端装置接收无线信号。
馈送用天线部113具有用于与地上或海上的馈线站70进行无线通信的指向性天线。收发部114与馈送用天线部113一起构成第二无线通信部，具有收发共用器(DUP：DUPlexer)、放大器等，经由馈送用天线部113向馈线站70发送无线信号或从馈线站70接收无线信号。
转发器部115对与终端装置之间进行收发的收发部112的信号、以及与馈线站70之间进行收发的收发部114的信号进行中继。转发器部115具有将规定频率的中继对象信号放大至规定的电平的放大器功能。转发器部115也可以具有对中继对象信号的频率进行转换的频率转换功能。
监视控制部116例如由CPU和存储器等构成，通过执行预先装入的程序来监视HAPS10、20内的各部的动作处理状况或控制各部。特别是，监视控制部116通过执行控制程序来控制对螺旋桨103、202进行驱动的马达驱动部141，使HAPS10、20向目标位置移动，并且，控制它们留在目标位置附近。
电源部117将从电池106、204输出的电力供应到HAPS10、20内的各部。电源部117也可以具有使由太阳能发电板等发出的电力、从外部供应的电力蓄积到电池106、204的功能。
光通信部125经由激光等光通信介质与周边的其它HAPS10、20、人造卫星72进行通信。通过该通信，对无人机60等的终端装置与移动通信网80之间的无线通信动态地进行中继的动态路由成为可能，并且在任意一个HAPS发生了故障时，其它HAPS作为后备进行无线中继，从而能够提高移动通信系统的鲁棒性。
波束控制部126对HAPS间通信、与人造卫星72的通信所使用的激光等的波束的方向和强度进行控制，或者以根据与周边的其它HAPS(无线中继站)之间的相对位置的变化来切换通过激光等的光束进行通信的其它HAPS(无线中继站)的方式进行控制。该控制例如可以基于HAPS自身的位置和姿势、周边的HAPS的位置等来进行。HAPS自身的位置和姿势的信息可以基于集成于该HAPS的GPS接收装置、陀螺仪传感器、加速度传感器等的输出来取得，周边的HAPS的位置的信息可以从设置于移动通信网80的监视装置85、或者HAPS管理服务器、应用程序服务器等服务器86取得。
图7是示出实施方式的HAPS10、20的无线中继站110、210的另一构成例的框图。
图7的无线中继站110、210是基站类型的无线中继站的例子。
此外，在图7中，对于与图6同样的构成要素标注相同的附图标记，省略说明。图7的无线中继站110、210分别还具备调制解调器部118，并取代转发器部115而具备基站处理部119。而且，无线中继站110、210分别具备光通信部125和波束控制部126。
调制解调器部118例如对从馈线站70经由馈送用天线部113和收发部114接收到的接收信号执行解调处理和解码处理，生成向基站处理部119侧输出的数据信号。另外，调制解调器部118对从基站处理部119侧收到的数据信号执行编码处理和调制处理，生成经由馈送用天线部113和收发部114向馈线站70发送的发送信号。
基站处理部119例如具有作为基于遵循LTE/LTE-Advanced的标准规范的方式进行基带处理的e-NodeB的功能。基站处理部119也可以是以遵循第五代等的将来的移动通信的标准规范的方式进行处理。
基站处理部119例如对从存在于三维小区41、42的终端装置经由3D小区形成天线部111和收发部112接收到的接收信号执行解调处理和解码处理，生成向调制解调器部118侧输出的数据信号。另外，基站处理部119对从调制解调器部118侧收到的数据信号执行编码处理和调制处理，生成经由3D小区形成天线部111和收发部112向三维小区41、42的终端装置发送的发送信号。
图8是示出实施方式的HAPS10、20的无线中继站110、210的再一构成例的框图。
图8的无线中继站110、210是具有边缘计算功能的高功能的基站类型的无线中继站的例子。此外，在图8中，对于与图6和图7同样的构成要素标注相同的附图标记，省略说明。图8的无线中继站110、210分别在图7的构成要素的基础上还具备边缘计算部120。
边缘计算部120例如由小型的计算机构成，通过执行预先装入的程序，能够执行与HAPS10、20的无线中继站110、210中的无线中继等相关的各种信息处理。
例如，边缘计算部120基于从存在于三维小区41、42的终端装置接收到的数据信号，判定该数据信号的发送目的地，基于其判定结果执行对通信的中继目的地进行切换的处理。更具体地说，在从基站处理部119输出的数据信号的发送目的地为存在于自身的三维小区41、42的终端装置的情况下，不将该数据信号传到调制解调器部118，而是将其返回给基站处理部119而发送到存在于自身的三维小区41、42的发送目的地的终端装置。另一方面，在从基站处理部119输出的数据信号的发送目的地为存在于自身的三维小区41、42以外的其它小区的终端装置的情况下，将该数据信号传到调制解调器部118而发送到馈线站70，经由移动通信网80发送到存在于发送目的地的其它小区的发送目的地的终端装置。
边缘计算部120也可以执行对从存在于三维小区41、42的众多终端装置接收到的信息进行分析的处理。该分析结果也可以发送到存在于三维小区41、42的众多终端装置，或者发送到设置于移动通信网80的监视装置85、或作为管理装置的HAPS管理服务器、应用程序服务器(应用服务器)等服务器86等。
经由无线中继站110、210的与终端装置的无线通信的上行链路和下行链路的双工方式不限于特定的方式，例如，可以是时分双工(Time Division Duplex：TDD)方式，也可以是频分双工(Frequency Division Duplex：FDD)。另外，经由无线中继站110、210的与终端装置的无线通信的接入方式不限于特定的方式，例如，可以是FDMA(Frequency DivisionMultiple Access：频分多址)方式、TDMA(Time Division Multiple Access：时分多址)方式、CDMA(Code Division Multiple Access：码分多址)方式或OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access：正交频分多址)。另外，在上述无线通信中，也可以使用MIMO(多输入多输出：Multi-Input and Multi-Output)技术，上述MIMO技术具有分集编码、发送波束成形、空分复用(SDM：Spatial Division Multiplexing)等功能，通过由收发双方同时利用多个天线，能够增大每单位频率的传输容量。另外，上述MIMO技术可以是1个基站与1个终端装置在同一时刻·同一频率发送多个信号的SU-MIMO(Single-UserMIMO：单用户MIMO)技术，也可以是1个基站向多个不同的终端装置在同一时刻·同一频率发送信号或多个不同的基站向1个终端装置在同一时刻·同一频率发送信号的MU-MIMO(Multi-User MIMO：多用户MIMO)技术。
以下，对与终端装置进行无线通信的无线中继装置为具有无线中继站110的太阳能飞机类型的HAPS10的情况进行说明，但以下的实施方式也同样能够应用于具有无线中继站210的无人飞艇类型的HAPS20等能在上空移动的其它无线中继装置。
另外，将具有无线中继站110的HAPS10与作为馈线站的网关站(以下略称为“GW站”。)70之间的链路称为“馈线链路”，将HAPS10与终端装置61之间的链路称为“服务链路”。另外，将从GW站70经由HAPS10去往终端装置61的通信称为“正向链路(forward link)”，将从终端装置61经由HAPS10去往GW站70的通信称为“反向链路(reverse link)”。
图9是示出参考例所涉及的HAPS监视系统的构成的框图。在图9的例子中，为了在HAPS10与通信网侧之间构筑独立于馈线链路的作为专用线路的监视用线路，而在通信网侧设置监视用无线机75并且在HAPS10侧设置监视用无线机76。由HAPS10的无线中继站(转发器子机)110、各种传感器等的信息取得装置77取得并由监视用无线机76发送的监视信息经由监视用线路被监视用无线机75接收，并发送到监视装置85。在图9的例子中，为了在HAPS10与移动通信网侧之间构筑作为专用线路的监视用线路，需要确保频率并且在通信网侧设置监视用无线机75。
对此，在以下所示的各实施方式中，经由HAPS10的无线中继站110所利用的馈线链路向移动通信网侧发送监视信息，由此，不必设置需要监视用的频率和通信网侧的监视用无线机75的专用线路(监视用线路)，就能够监视HAPS10的无线中继站110的状态。
图10是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的一例的框图。在图10中，设置于GW侧的监视装置85连接到移动通信网的核心网络80a，能够经由基站(eNodeB)80和GW站(转发器母机)70与HAPS10的作为中继处理部的无线中继站(转发器子机)110进行通信。例如，监视装置85能够经由设置于HAPS10的调制解调器151向监视控制部150发送控制数据或者从监视控制部150经由调制解调器151接收监视数据。
GW站70能够与基站90之间收发频率f1的信号。另外，GW站70具备用于经由频率f2的馈线链路与HAPS10的无线中继站110进行无线通信的馈线链路天线70a。GW站70具有基站侧的频率f1与馈线链路的频率f2之间的频率转换功能，进行基站侧的频率f1的信号与HAPS侧的频率f2的馈线链路信号之间的中继。
HAPS10具备无线中继站(转发器子机)110。无线中继站110具备：作为第一天线的馈线链路天线110a，其用于经由频率f2的馈线链路与GW站70进行无线通信；以及作为第二天线的服务链路天线110b，其用于经由频率f1的服务链路与终端装置61进行无线通信。无线中继站110具有服务链路的频率f1与馈线链路的频率f2之间的频率转换功能，进行终端装置侧的频率f1的服务链路信号与GW站侧的频率f2的馈线链路信号之间的中继。
HAPS10除了具备无线中继站(转发器子机)110以外，为了能够从监视装置85对HAPS10远程地进行监视控制，还具备监视控制部150、包含调制解调器151和天线152的信息通信部、以及包含各种传感器等的信息取得部153。监视控制部150例如由处理器等数据处理部、存储器等数据存储部等构成，通过执行规定的程序，能够从信息取得部153、无线中继站110取得监视信息，并将包含该监视信息的监视数据发送到信息通信部的调制解调器151。另外，监视控制部150能够接收从调制解调器151输出的来自监视装置85的控制数据，基于该控制数据所包含的控制信息对无线中继站110或信息取得部153进行控制。
调制解调器151是与进行例如LTE、5G等无线通信的中继的通信系统对应的调制解调器。调制解调器151也可以与通常的终端装置同样，为了能够从监视装置85等外部装置收发数据而被赋予终端识别号码(例如，电话号码、IP地址)。调制解调器151对从监视控制部150接收到的监视数据进行数据处理、调制等信号处理，并将其作为服务链路的反向链路信号(频率：f2)从天线152进行发送。另外，调制解调器151对经由天线152接收到的服务链路的正向链路信号进行解调等的信号处理、数据处理，将从监视装置85发送来的控制数据复原并传到监视控制部150。
另外，由调制解调器151收发的信号受到无线中继站(转发器子机)110经由馈线链路与GW站70进行通信时的通信质量的影响，因此，调制解调器151也可以在进行监视数据或控制数据的收发时测定馈线链路的通信质量。该馈线链路的通信质量的测定结果作为监视数据之一而由监视控制部150取得。
天线152例如配置为以非接触状态靠近无线中继站110与服务链路天线110b之间的服务链路信号路径110c、或服务链路天线110b。天线152将包含从调制解调器151收到的监视数据的服务链路的反向链路信号(频率：f1)朝向服务链路信号路径110c发送或者朝向服务链路天线110b发送。另外，天线152接收从服务链路信号路径110c漏出的服务链路的正向链路信号的漏出电波(频率：f1)，或者接收从服务链路天线110b漏出或绕入的服务链路的正向链路信号的漏出电波(绕入电波)。
信息取得部153例如可以包含对HAPS10的当前位置、姿势等进行测定的GPS接收机、加速度传感器、重力传感器、陀螺仪传感器、高度计中的至少一者。信息取得部153也可以包含对HAPS10的周边的气流的风速和风向进行探测的传感器、对HAPS10的周边的气压进行探测的气压传感器、对周边的温度和湿度进行探测的传感器中的至少一者。
上述控制信息可以包含用于控制HAPS10沿预先设定的飞行路径进行飞行的目标飞行路线信息。上述监视信息可以包含HAPS10的当前位置、飞行路线历史信息、空速、地速和推进方向、HAPS10的周边的气流的风速和风向、以及HAPS10的周边的气压和气温中的至少一种信息。另外，上述监视信息也可以包含与GW站70之间的馈线链路的通信质量的信息和与终端装置61之间的服务链路的通信质量的信息中的至少一方。这些通信质量的信息例如可以由监视控制部150从无线中继站110取得。
图11是示出图10的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。
在图11的HAPS10的远程控制中，监视装置85经由核心网络80a向基站90发送包含控制信息的控制数据(S101、S102)。基站90在从监视装置85接收到控制数据时，将基于该控制数据生成的频率f1的正向链路(FL)信号发送到GW站(转发器母机)70(S103)。GW站70将正向链路(FL)信号的频率f1转换为馈送链路的频率f2，将频率转换后的频率f2的正向链路(FL)信号从馈线链路天线70a朝向HAPS10进行发送(S104、S105)。
HAPS10的无线中继站(转发器子机)110在从GW站70经由馈线链路天线110a接收到频率f2的馈线链路的正向链路(FL)信号时，将该正向链路(FL)信号的频率f2转换为频率f1，并作为服务链路的正向链路(FL)信号朝向服务链路天线110b进行发送(S106、S107)。调制解调器151经由天线152接收从无线中继站110发送并在服务链路信号路径110c中传输来的服务链路的正向链路(FL)信号(S107)。调制解调器151对接收到的服务链路的正向链路(FL)信号进行解调处理和数据处理，将正向链路(FL)信号所包含的控制数据复原，并送向监视控制部150(S108)。监视控制部150在从调制解调器151收到控制数据时，对该控制数据进行路由处理或接口处理，并送到无线中继站110和信息取得部153中的至少一方(S109～S111)。无线中继站110和信息取得部153能够基于来自监视控制部150的控制数据所包含的控制信息进行各种控制。
在图11的HAPS10的远程监视中，HAPS10的监视控制部150在从无线中继站110和信息取得部153中的至少一方收到包含监视信息的监视数据时，对该监视数据进行路由处理或接口处理，并将监视数据送向调制解调器151(S121～S124)。调制解调器151在从监视控制部150收到监视数据时，对该监视数据进行数据处理和调制处理，生成频率f1的服务链路的反向链路(RL)信号，并经由天线152朝向服务链路信号路径110c或服务链路天线110b进行发送(S125)。由服务链路信号路径110c或服务链路天线110b接收到的来自调制解调器151的服务链路的反向链路(RL)信号在服务链路信号路径110c中传输，并被无线中继站(转发器子机)110接收。无线中继站110将服务链路的反向链路(RL)信号的频率f1转换为馈线链路的频率f2，并将频率转换后的频率f2的反向链路(RL)信号从馈线链路天线110a朝向GW站70进行发送(S126、S127)。
GW站70在从HAPS10的无线中继站(转发器子机)110经由馈线链路天线接收到频率f2的馈线链路的反向链路(RL)信号时，将该反向链路(RL)信号的频率f2转换为频率f1，并将频率转换后的频率f1的反向链路(RL)信号向基站90发送(S128、S129)。基站90对从GW站70接收到的反向链路(RL)信号进行解调处理和数据处理，将反向链路(RL)信号所包含的监视数据复原，并经由核心网络80a送向监视装置85(S130、S131)。监视装置85在从基站90接收到监视数据时，例如能够显示该监视数据所包含的监视信息，或者基于监视信息进行控制信息的更新或新建，或者将监视信息发送到规定的发送目的地。
如此，根据图10和图11的实施方式，能够将与具有作为实现三维化网络的转发器子机发挥功能的无线中继站110的HAPS10的状态相关的监视信息经由该HAPS10所利用的馈线链路发送到连接于核心网络80a的监视装置85，因此，不必设置专用线路就能够从通信网侧监视HAPS10的状态。
特别是，根据本实施方式，监视数据和控制数据的通信利用了大容量的馈线链路，因此，能在监视装置85与HAPS10之间进行大容量的监视数据和控制数据的收发。
另外，根据本实施方式，能够将集成于HAPS10的调制解调器151的天线152配置为以非接触状态靠近无线中继站110的服务链路信号路径110c或服务链路天线110b，因此，无需变更服务链路信号路径110c、服务链路天线110b的构成。
另外，根据本实施方式，从调制解调器151的天线152收发监视数据和控制数据的无线信号的服务链路的频率f1不同于馈线链路的频率f2，因此，能够避免监视数据和控制数据的无线信号对馈线链路的干扰。
如上所示，不必对能在上空飞行移动的HAPS10的构成进行大的变更，就既能够避免对馈线链路的干扰，又能够从移动通信网80侧监视HAPS10。
图12是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的另一构成例的框图，图13是示出图12的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。此外，在图12和图13中，对于与前述的图10和图11共同的部分，省略说明。
在图12的HAPS监视系统中，将GW侧的监视装置85经由通信控制装置91和调制解调器92连接到基站90。通信控制装置91例如是VPN(虚拟专用网络)服务器或RT(路由器)。
在图13的HAPS10的远程控制中，从监视装置85发送来的控制数据经由通信控制装置91向调制解调器92发送(S201、S202)。调制解调器92在从监视装置85接收到控制数据时，将基于该控制数据生成的频率f1的信号作为上行链路(UL)信号向基站90发送(S203)。基站90在从调制解调器92接收到包含控制数据的上行链路(UL)信号时，将其转换为频率f1的正向链路(FL)信号并向GW站(转发器母机)70发送(S204)。
在图13的HAPS10的远程监视中，基站90在从GW站70接收到包含监视数据的反向链路(RL)信号时，将其转换为频率f1的下行链路(DL)信号并向调制解调器92发送(S229、S230)。调制解调器92对从基站90接收到的下行链路(DL)信号进行解调处理和数据处理，将下行链路信号所包含的监视数据复原，并经由通信控制装置91送到监视装置85(S231、S232)。
如此，根据图12和图13的实施方式，能够将与具有作为实现三维化网络的转发器子机发挥功能的无线中继站110的HAPS10的状态相关的监视信息经由该HAPS10所利用的馈线链路发送到通过通信控制装置91和调制解调器92连接于基站90的监视装置85，因此，不必设置专用线路就能够从通信网侧监视HAPS10的状态。
图14是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的再一构成例的框图，图15是示出图14的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。此外，在图14和图15中，对于与前述的图10和图11共同的部分，省略说明。
在图14的HAPS监视系统中，将GW侧的监视装置85经由通信控制装置82、互联网81和核心网络80a连接到基站90。通信控制装置82例如是VPN(虚拟专用网络)服务器或RT(路由器)。
在图15的HAPS10的远程控制中，从监视装置85发送来的控制数据经由通信控制装置82、互联网81和核心网络80a向基站90发送(S301～S303)。基站90在从监视装置85接收到控制数据时，将基于该控制数据生成的频率f1的信号作为正向链路(FL)信号向GW站(转发器母机)70发送(S304)。
在图15的HAPS10的远程监视中，基站90在从GW站70接收到包含监视数据的反向链路(RL)信号时，对该反向链路(RL)信号进行解调处理和数据处理，将反向链路(RL)信号所包含的监视数据复原，并经由核心网络80a、互联网81和通信控制装置82送到监视装置85(S329～S332)。
如此，根据图14和图15的实施方式，能够将与具有作为实现三维化网络的转发器子机发挥功能的无线中继站110的HAPS10的状态相关的监视信息经由该HAPS10所利用的馈线链路发送到连接于互联网81的监视装置85，因此，不必设置专用线路就能够从通信网侧监视HAPS10的状态。
图16是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统的再一构成例的框图，图17是示出图16的HAPS监视系统中的数据的流动的一例的序列图。此外，在图16和图17中，对于与前述的图10和图11共同的部分，省略说明。
在图16的HAPS监视系统中，设置有不必经由基站就能与监视装置85之间进行数据的收发的GW站71。另外，设置于HAPS10的无线中继站110不是作为转发器子机而是作为基站(eNodeB)发挥功能。
在图17的HAPS10的远程控制中，从监视装置85发送来的控制数据经由核心网络80a向GW站71发送(S401、S402)。GW站71在从监视装置85接收到控制数据时，将基于该控制数据生成的频率f2的信号作为馈线链路的正向链路(FL)信号向HAPS10的无线中继站110发送(S403)。无线中继站110在从GW站71接收到馈线链路的正向链路(FL)信号时，将基于该正向链路(FL)信号所包含的控制数据生成的频率f1的信号作为服务链路的正向链路(FL)信号经由服务链路信号路径110c向服务链路天线110b发送(S404)。
在图17的HAPS10的远程监视中，HAPS10的无线中继站(基站)110对经由服务链路信号路径110c或服务链路天线110b接收到的服务链路的反向链路(RL)信号进行解调处理和数据处理，将反向链路(RL)信号所包含的监视数据复原，基于该监视数据生成频率f2的馈线链路的反向链路(RL)信号并从馈线链路天线110a朝向GW站71发送(S426)。GW站71在从HAPS10的无线中继站(转发器子机)110经由馈线链路天线71a接收到频率f2的馈线链路的反向链路(RL)信号时，对该反向链路(RL)信号进行解调处理和数据处理，将反向链路(RL)信号所包含的监视数据复原，并经由核心网络80a发送到监视装置85(S427、S428)。
如此，根据图16和图17的实施方式，能够将与具有作为实现三维化网络的基站发挥功能的无线中继站110的HAPS10的状态相关的监视信息经由该HAPS10所利用的馈线链路发送到连接于核心网络80a的监视装置85，因此，不必设置专用线路就能够从通信网侧监视HAPS10的状态。
图18是示出实施方式所涉及的HAPS监视系统中的HAPS10的另一构成例的框图。此外，在图18的HAPS10中，对于与前述的图10共同的部分，省略说明。
在图18的HAPS10中，调制解调器151不是连接到天线152，而是连接到在无线中继站110与服务链路天线110b之间的服务链路信号路径110c中设置的定向耦合器154。在此，也可以取代定向耦合器154而设置分配合成器。
此外，本说明书中说明的处理工序以及HAPS10、20等通信中继装置的无线中继站、馈线站、远程控制装置、服务器、终端装置(用户装置、移动台、通信终端)、基站和基站装置的构成要素能够通过各种各样的手段来实现。例如，这些工序和构成要素可以通过硬件、固件、软件或者它们的组合来实现。
关于硬件实现，在实体(例如，无线中继站、馈线站、基站、基站装置、无线中继站装置、终端装置(用户装置、移动台、通信终端)、远程控制装置、服务器、硬盘驱动器装置或光盘驱动器装置)中为了实现上述工序和构成要素而使用的处理单元等手段可以在1个或者多个特定用途IC(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、电子设备、设计成执行本说明书中说明的功能的其它电子单元、计算机或者它们的组合之中实现。
另外，关于固件和/或软件实现，为了实现上述构成要素而使用的处理单元等手段可以由执行本说明书中说明的功能的程序(例如，过程(Procedure)、函数、模块、指令等的代码)来实现。一般而言，有形地体现固件和/或软件的代码的任意的计算机/处理器可读取的介质也可以用于为了实现本说明书中说明的上述工序和构成要素而使用的处理单元等手段的实现。例如，固件和/或软件代码也可以在例如控制装置中、存储于存储器，由计算机、处理器来执行。该存储器可以实现在计算机、处理器的内部，或者也可以实现在处理器的外部。另外，固件和/或软件代码例如也可以存储在如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、可编程只读存储器(PROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、闪存、软(注册商标)盘、光盘(CD)、数字多功能磁盘(DVD)、磁或光数据存储装置等这样的计算机、处理器可读取的介质中。该代码可以由1个或者多个计算机、处理器执行，另外，也可以使计算机、处理器执行本说明书中说明的功能性的某一方面。
另外，上述介质也可以是非暂时性的记录介质。另外，上述程序的代码只要能由计算机、处理器、或者其它设备或装置机器读入并执行即可，其形式不限于特定的形式。例如，上述程序的代码可以是源代码、目标代码以及二进制代码之中的任意一种代码，另外，也可以是这些代码之中的2种以上混杂在一起。
另外，本说明书中公开的实施方式的说明是为了使本领域技术人员能制造或者使用本发明而提供的。对本领域技术人员而言，对本发明的各种各样的修正是容易明白的，本说明书中定义的一般性原理无需脱离本发明的宗旨或者范围就能应用于其它变型。因此，本发明不限于本说明书中说明的例子和设计，应认为其范围是与本说明书中公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
附图标记说明
10 HAPS(太阳能飞机类型)
20 HAPS(飞艇类型)
40 小区形成目标空域
41、42、43 三维小区
50 HAPS所在的空域
60 无人机
61 终端装置
65 飞机
70 网关站(转发器母机)
71 网关站
70a、71a 馈线链路天线
72 人造卫星
80 移动通信网
80a 核心网络
81 互联网
82 通信控制装置
85 监视装置(管制中心)
86 服务器
90 基站(eNodeB)
91 通信控制装置
92 调制解调器
100、200、300 波束
110、210 无线中继站
110a 馈线链路天线
110b 服务链路天线
110c 服务链路信号路径
150 监视控制部
151 调制解调器
152 天线
153 信息取得部
154 定向耦合器。

Claims (19)

1.一种无线中继装置，是能在上空飞行移动的无线中继装置，其特征在于，具备：
第一天线，其用于与设置在地上或海上的通信网侧的网关站之间收发馈线链路的无线信号；
第二天线，其用于与终端装置之间收发服务链路的无线信号；
中继处理单元，其设置在上述第一天线与上述第二天线之间，对上述馈线链路的无线信号和上述服务链路的无线信号进行中继；
信息取得单元，其取得监视信息；以及
信息通信单元，其经由上述馈线链路向通信网侧发送上述监视信息，
上述信息通信单元具有：
监视用天线，其用于针对上述第二天线与上述中继处理单元之间的服务链路信号路径进行上述服务链路的无线信号的收发；以及
信号转换单元，其进行经由上述监视用天线收发的服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述监视信息的数据信号之间的转换。
2.根据权利要求1所述的无线中继装置，其特征在于，
还具备控制单元，其基于控制信息来控制该无线中继装置，
上述信息通信单元经由上述馈线链路接收上述控制信息，
上述信号转换单元进行上述服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述控制信息的数据信号之间的转换。
3.根据权利要求2所述的无线中继装置，其特征在于，
上述控制信息包含目标飞行路线信息。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息是与该无线中继装置的状态相关的监视信息。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息包含该无线中继装置的当前位置、飞行路线历史信息、空速、地速和推进方向、该无线中继装置的周边的气流的风速和风向、以及该无线中继装置的周边的气压和气温中的至少一种信息。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息包含与上述网关站之间的馈线链路的通信质量的信息以及与上述终端装置之间的服务链路的通信质量的信息中的至少一方。
7.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率相互不同，
上述中继处理单元具有上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率之间的频率转换功能。
8.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述网关站是连接于移动通信的基站的转发器母机，
该无线中继装置是与上述转发器母机进行无线通信的转发器子机。
9.根据权利要求1至3中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
该无线中继装置是移动体通信的基站。
10.一种无线中继装置，是能在上空飞行移动的无线中继装置，其特征在于，具备：
第一天线，其用于与设置在地上或海上的通信网侧的网关站之间收发馈线链路的无线信号；
第二天线，其用于与终端装置之间收发服务链路的无线信号；
中继处理单元，其设置在上述第一天线与上述第二天线之间，对上述馈线链路的无线信号和上述服务链路的无线信号进行中继；
信息取得单元，其取得监视信息；以及
信息通信单元，其经由上述馈线链路向通信网侧发送上述监视信息，
上述信息通信单元具有：
定向耦合器或分配合成器，其设置在上述第二天线与上述中继处理单元之间的服务链路信号路径；以及
信号转换单元，其进行经由上述定向耦合器或分配合成器收发的服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述监视信息的数据信号之间的转换。
11.根据权利要求10所述的无线中继装置，其特征在于，
还具备控制单元，其基于控制信息来控制该无线中继装置，
上述信息通信单元经由上述馈线链路接收上述控制信息，
上述信号转换单元进行上述服务链路的反向链路信号或正向链路信号与上述控制信息的数据信号之间的转换。
12.根据权利要求11所述的无线中继装置，其特征在于，
上述控制信息包含目标飞行路线信息。
13.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息是与该无线中继装置的状态相关的监视信息。
14.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息包含该无线中继装置的当前位置、飞行路线历史信息、空速、地速和推进方向、该无线中继装置的周边的气流的风速和风向、以及该无线中继装置的周边的气压和气温中的至少一种信息。
15.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述监视信息包含与上述网关站之间的馈线链路的通信质量的信息以及与上述终端装置之间的服务链路的通信质量的信息中的至少一方。
16.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率相互不同，
上述中继处理单元具有上述馈线链路的频率与上述服务链路的频率之间的频率转换功能。
17.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
上述网关站是连接于移动通信的基站的转发器母机，
该无线中继装置是与上述转发器母机进行无线通信的转发器子机。
18.根据权利要求10至12中的任意一项所述的无线中继装置，其特征在于，
该无线中继装置是移动体通信的基站。
19.一种通信系统，其特征在于，
具备：权利要求1至18中的任意一项所述的无线中继装置；通信网侧的网关站，其经由馈线链路与上述无线中继装置进行通信；以及通信网侧的监视装置，其接收在上述无线中继装置中使用的监视信息。
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