JP2010278886A - 地上／衛星共用携帯電話システムとそのシステム相互干渉軽減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数の利用効率を高め、周波数の共用を可能とする地上／衛星共用携帯電話システムを提案する。
【解決手段】通信衛星、衛星端末、地上端末、基地局およびフィーダリンク局を備え第１および第２周波数帯を用いる周波数デュプレックス方式で、通信衛星は衛星端末およびフィーダリンク局と、衛星端末は通信衛星と、地上端末は基地局と、基地局は、フィーダリンク局を通して通信衛星および地上端末と通信し、第１周波数帯において、通信衛星から衛星端末へのダウンリンク、地上端末から基地局へのアップリンクで、かつ、第２周波数帯において、衛星端末から通信衛星へのアップリンク、基地局から地上端末へのダウンリンクで運用するリバース方式とする。また、第１周波数帯を、衛星用のダウンリンクと基地局用のアップリンクに分割し、かつ、第２周波数帯を、衛星用のアップリンクと基地局のダウンリンクとに分割して運用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、地上携帯電話と衛星携帯電話との共用携帯電話システムに関し、特に、1つの携帯端末が地上系システムと衛星系システムのどちらにも接続可能なシステムであり各システムが共通の周波数帯上で稼働する地上／衛星共用携帯電話システムとそのシステム相互干渉軽減方法に関するものである。

近年、衛星に大形展開アンテナを採用し、地上携帯端末程度の小型端末に地上系と衛星系の通信システムを搭載することで、地上システムでカバーしきれない広範囲においてサービスを提供する地上／衛星統合型の移動通信システムが多数検討若しくは実現されている。例えば、Ｔｈｕｒａｙａ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｔｅｌｅｃｏｍ社の移動通信システムは中東、ヨーロッパ、北部・中部アフリカ、中央・南アジア等１１０か国以上に衛星通信とＧＳＭ（Global System for Mobile communications）の機能を内蔵した小型携帯端末によるサービスを提供している。更に、ＭＳＶ（Mobile Satellite Ventures）社は地上システムと衛星システムの周波数を共用することで局波数利用効率を高めつつ、衛星系のカバレッジの不足を地上系で補う革新的な移動通信システムのサービスを開始しようとしている。このＭＳＶ社のシステムは電気開口径２２ｍの衛星アンテナにより数百のスポットビームで北アメリカ全体を覆うため、国土面積や人口分布の観点から日本とはシステム設計が大きく異なる。

地上／衛星共用携帯電話システムは、図１に示すように1つの携帯端末が地上系システムと衛星系システムのどちらにも接続可能なシステムであり、各システムが共通の周波数帯上で稼働することに特徴がある。これにより、都市、郊外、そして海上等でそれぞれ異なる人口や通信トラフィックに応じ、携帯端末が地上系システムと衛星系システムを使い分けることで海上等の小トラフィックのエリアでの周波数を都市等の大トラフィックのエリアにおいても利用できるため、周波数の有効利用を図ることが可能となる。なお、周波数共用の実現には地上系と衛星系の周波数等の協調制御が必要である。地上系と衛星系の具体的つながりはいろいろ考えられるが、この協調制御を行うためのネットワーク基本構成としては、図２の方式１のように共通ネットワークを用いる方法と方式２のようにコグニティブ無線を用いる方法がある。

方式１では、地上系と衛星系はインターネット等の共通ネットワークを通じて相互接続され、ネットワーク監視・管理・制御システムによって集権的な協調制御がなされる。

また、方式２では、地上系と衛星系はお互いの電波をセンシングすることで通信トラフィック環境を自ら察知し、それぞれのシステムの独立したネットワーク監視・管理・制御システムによって自律的な協調制御がなされる。

本発明は、周波数デュプレックス方式の地上／衛星共用携帯電話システムに関するものであるが、周波数デュプレックス方式の場合に地上系システムと衛星系システムが同一周波数帯を共用する方式（以下、周波数共用方式）としては、図３に示すように周波数同時使用方式と周波数分離使用方式がある。

周波数同時使用方式は、地上系システムと衛星系システムが共通の周波数帯域を使用することで周波数の有効利用を図ることができるが、システム相互間干渉が問題となる。他方、周波数分離使用方式では地上系システムと衛星系システムが異なる周波数を用いるため、周波数の有効利用は図れないものの、システム相互間干渉は問題とならない。

周波数共用方式は、さらに、同一周波数帯において地上系と衛星系の上り回線と下り回線がそれぞれ同一の仕様であるノーマル方式と、地上系と衛星系のどちらか一方のシステムの上り回線と下り回線の周波数帯域を入れ替える仕様であるリバース方式に分けることができる。後述するように、本発明はリバース方式に関している。

なお、周波数分離方式については、地上系と衛星系のシステム相互干渉は基本的に解消されることから、本発明は周波数同時使用方式について特に有効と考えられる。よって本発明では周波数同時使用方式のみを対象として説明する。

図４（ａ）に、従来技術である周波数同時使用方式のノーマル方式について、衛星、衛星系端末、地上系端末、地上系基地局の干渉経路を示す。図４（ａ）では、莫大な数の地上系端末から発せられる電波は、衛星方向にも向かい、衛星系端末が待ち受ける電波に混じってその受信装置に流入する。これが、衛星系システムの機能障害や通信速度低下といった問題を引き起こす要因となる。このため、この場合は、図５に示すように衛星系受信器では低雑音増幅器の耐飽和化、急峻なバンドパスフィルタの挿入、後段増幅器の耐飽和化、さらに復調器（ＤＥＭ）におけるＡ／Ｄ変換器の耐飽和化が不可欠となる。しかしながら、この対策は容易ではない。

通常、図６に示すように衛星系システムのビームはマルチビーム化され、周波数の有効利用が図られる。衛星系システムで使用されない周波数については、地上系システムで利用が可能である。したがって、例えばｆ７の衛星系ビームに着目した場合、地上系ではｆ７以外のエリアで周波数ｆ７を使用することができる。しかし、現実には衛星系ビームのサイドローブが存在し、図６のｆ７以外のエリアにおいてもｆ７の衛星系ビームの影響が及ぶため、ｆ７の衛星系ビームの周りに空間ガードバンドを設けてその影響を抑制する必要がある。このように、ノーマル方式では上記の空間ガードバンドにより、地上系システムで利用可能なエリアが狭められ、結果として全体的な周波数の有効利用にはつながらないといった課題がある。

また、システム相互干渉を避けるため地上系と衛星系とは同一エリアにおいて、同一の周波数を用いることはできない。例えば、図６のｆ７のエリアでは、地上系のシステムは周波数ｆ７を使用できない。

これらの問題のため、衛星系の全帯域をマルチビームの周波数繰り返し数分に分割し、地上系は各エリアで衛星系が使用しない残りの帯域のみが利用可能である。図７に、この周波数利用方法を示す。図７において、各エリアは衛星系ビームそれぞれによって照射されるエリアである。例えば、エリアＡには周波数ｆ１の衛星系ビームが対応し、そのエリアの地上系はｆ１の周波数を利用しない。こうして地上系と衛星系のシステム相互干渉の回避を図る。

梅比良、"衛星／地上統合移動通信システムにおける周波数共用に関する一検討"、信学技報、SAT2007-63, Feb. 2008.

日本及びその排他的経済水域を（１）高利得かつ小径スポットのマルチビームで覆うことで周波数繰返しにより周波数の利用効率を高め、（２）平常時と非常時の通信トラヒック（以下、「トラヒック」と呼ぶ）の変動にダイナミックに適応することで地上と衛星の周波数の共用を可能とする、通信システム（以下、「地上/衛星統合移動通信システム」若しくはＳＴＩＣＳ（Satellite/Terrestrial Integrated mobile Communication System）と呼ぶ）を提案する。

本発明の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法は、
通信衛星、衛星端末、地上端末、および基地局を備え第１および第２周波数帯を用いる周波数デュプレックス方式の地上／衛星共用携帯電話システムにおいて、
該通信衛星は、該衛星端末および該フィーダリンク局と通信し、
該衛星端末は、該通信衛星と通信し、
該地上端末は、該基地局と通信し、
該基地局は、該フィーダリンク局を通して該通信衛星と、また該地上端末と通信し、
第１周波数帯において、上記通信衛星から衛星端末へはダウンリンク、上記地上端末から基地局へのアップリンクで、かつ、
第２周波数帯において、上記衛星端末から上記通信衛星へのアップリンク、上記基地局から地上端末へのダウンリンクで、運用するものである。

第１周波数帯を、上記通信衛星から衛星端末へのダウンリンクの周波数帯と上記地上端末から基地局へのアップリンク周波数帯用とに分割して運用し、かつ、
第２周波数帯を、上記衛星端末から通信衛星へのアップリンクの周波数帯と上記基地局から地上端末へのダウンリンク周波数帯とに分割して運用する。

上記衛星は、アップリンクまたはダウンリンクにマルチビームアンテナを使用するものであり、
該マルチビームアンテナのカバーするエリアを、ビーム形状で作られるビームパタンが概略相似構造をもつクラスタの繰り返しで構成し、
上記クラスタは、複数のセルで構成し、それぞれの前記セルはそれぞれ異なる周波数の電波のビームパタンである。

上記クラスタ内での周波数の配分は、上記通信衛星と上記衛星端末あるいは上記基地局との通信に使用する周波数を決めた後に、
該クラスタで使用可能な周波数のうちの残りの周波数を、上記基地局と上記地上端末または上記衛星端末との通信用に割り当てるものである。

上記通信衛星と上記衛星端末あるいは上記基地局との通信に使用する周波数は、異なるクラスタに異なる周波数を割り当てることを特徴とする。

上記通信衛星と上記衛星端末との通信用（以降、衛星系通信）の帯域幅と、基地局と地上端末との通信用（以降、地上系通信）の帯域幅（地上系帯域幅）との比率は任意に設定可能であって、上記衛星系通信の帯域と、上記地上系通信の帯域とは重ならないように地上系通信用帯域を割り当てるものである。

上記通信衛星または衛星端末は次の様な地上／衛星共用モジュールを備えるものである。つまり、送信系低周波部からの信号を高周波部切り替えスイッチによって衛星系高周波部に送って衛星系アンテナで送信するか、または、地上系高周波部に送って地上系アンテナで送信する。衛星系アンテナで受信した信号は、衛星系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、地上系アンテナで受信した信号は、地上系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、高周波部切換えスイッチでは、衛星系高周波部からの信号か、地上系高周波部からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部で信号処理する。上記衛星系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備え、また、上記地上系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備える。また、上記送信系低周波部はエンコーダと変調ユニットを備え、上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備えるものである。この様な衛星端末を用いる地上／衛星共用携帯電話システムは、上記のシステム相互干渉軽減方法を用いて通信することができる。

また、上記の衛星端末は、次の様な地上／衛星共用モジュールを備えるものであって、それは、送信系低周波部からの信号を高周波部切り替えスイッチによって衛星系高周波部に送って衛星系アンテナで送信するか、または、複数の地上系高周波部から選択した１つに送って複数の地上系アンテナから選択した１つで送信する。衛星系アンテナで受信した信号は、衛星系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、複数の地上系アンテナから選択した１つで受信した信号は、複数の地上系高周波部から選択した１つで信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送る。高周波部切換えスイッチでは、衛星系高周波部からの信号か、選択した地上系高周波部からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部で信号処理する。この地上／衛星共用モジュールの上記衛星系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備え、上記地上系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備えるものである。さらに、上記送信系低周波部はエンコーダと変調ユニットを備え、上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備えるものである。この衛星端末を用いることで、マルチバンドで上記のシステム相互干渉軽減方法を運用することができる。

周波数デュプレックス方式の地上／衛星共用携帯電話システムにおいて、膨大な数の地上端末による衛星回線に対する干渉を抑制することができる。

地上／衛星共用携帯電話システムを示す模式図である。 地上／衛星系ネットワーク構成を示す模式図である。 周波数共用方式における周波数帯の割当を示す模式図である。 周波数同時使用方式の干渉経路を示す模式図である。 ノーマル方式の携帯端末基本構成を示すブロック図である。 衛星系システムのマルチビームにおける空間的ガードバンドを示す模式図である。 地上／衛星共用携帯電話システムの周波数利用方法を示す模式図である。 リバース方式の携帯端末基本構成を示す模式図である。 周波数帯域のマルチバンド化を示す模式図である。 マルチバンド方式の基本構成例を示すブロック図である。 地上／衛星統合移動通信システムを示す模式図である。 ＩＴＵによるＩＭＴ−２０００の周波数割当を示す模式図である。 マルチビーム配置を示す模式図である。 周波数共用方式、及び周波数分離方式における周波数帯の割当を示す模式図である。 衛星セルのクラスタ構造を示す模式図である。 周波数分離方式における周波数配置を示す模式図である。 衛星が地上から受ける主な干渉波を示す模式図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

［システム概要］
ＳＴＩＣＳの概念図を図１１に示す。端末は、地上系と衛星系のどちらへも接続できる通信機能を有し、都市部のようなトラヒックの高い環境では基地局へ、また海上や山岳地帯等のトラヒックの低い環境では衛星へ、その時々の通信環境に応じて自動的に通信ネットワークを切り換える。また、都市部においても災害時等で基地局が倒壊または故障し不通となった場合には、端末は基地局から衛星へ通信ネットワークを切り換える。これにより、端末の利用者にいつでも、どこでも、どんなときでも安定した通信回線をより確実に提供することが可能となる。

ＳＴＩＣＳは、図１に示すように衛星を中心とする衛星システム、基地局を中心とする地上システム、そして両システムを相互に接続するコアネットワークから構成される。コアネットワークは、ＳＴＩＣＳの基幹ネットワークであり、地上と衛星のシステムを固定電話網やインターネットヘとつなげる。

ＳＴＩＣＳとは別に、高速データ通信により適したＩＥＥＥ８０２、１６（ＷｉＭＡＸ）等の無線ＬＡＮも存在する。ただし、無線ＬＡＮは衛星や地上と周波数の共用を行わず、独立した通信機能として端末に内蔵されるものと想定する。地上システム、衛星システム、無線ＬＡＮのうち複数の機能をもつデュアルモードやトリプルモードと呼ぶ端末形態が想定される。

［地上システム］
地上システムは、例えば、Ｗ−ＣＤＭＡやＣＤＭＡ２０００等の３Ｇ（第３世代）の基地局、そして基地局を束ねる基地局制御装置からなる。基地局は全国に設置されており、端末は基地局をハンドオーバしながら最も近くの基地局と通信を行う。基地局制御装置は複数の基地局を制御することで、そのハンドオーバを実現する。地上システムでの端末同士は基地局を介して通信を行う。

［衛星システム］
衛星システムは、衛星、複数のフィーダリンク局、そしてフィーダリンク局を束ねる衛星ゲートウェイからなる。ここで、フィーダリンク局は、多数の端末向けの、あるいは、多数の端末からのまとまった信号を衛星から受信若しくは衛星に送信する。また、衛星ゲートウェイは、複数のフィーダリンク局にまたがって分散した通信回線をまとめ、データの一元的管理を行う。さらに、衛星システムでの端末同士は直接衛星を介して通信を行う。

衛星システムでは、衛星を中心として、衛星−端末間の回線をサービスリンク、そして衛星−フィーダリンク局間の回線をフィーダリンクとそれぞれ呼ぶ。

サービスリンクは衛星が端末にサービスを提供するための通信回線である。サービスリンクでは、多数の端末の通信回線を収容するため、衛星アンテナのマルチビーム化が行われ、１００程度のスポットビームを用いて周波数の繰返しによる周波数利用効率の向上が図られる。

フィーダリンクは、ネットワークが衛星に信号を供給するための通信回線である。フィーダリンクでは、以下の目的で２以上のマルチビーム化を行う。
（１） 空間ダイバーシチによる周波数再利用
この空間ダイバーシチとは、地理的に十分離れた場所にフィーダリンク局を置くことで、各フィーダリンク局が同一周波数を用いても干渉を生じることなくフィーダリンク全体の回線容量を向上する方法である。
（２） サイトダイバーシチによる冗長設計
（３） フィーダリンク局の負荷分散

［ネットワークトポロジー］
衛星システムのネットワークトポロジーは、図１に示すようなフィーダリンク局を経由してダブルホップで端末間を接続するスター型ネットワークに加え、衛星上で回線交換やパケット交換を行いシングルホップで端未聞を接続するメッシュ型のネットワークからなる。

スター型ネットワークでは、回線交換や課金等の情報処理を地上で行うため、衛星に交換機を搭載する必要はなく、システム構築の点で利点がある。しかし、衛星システムの端末同士の通信ではフィーダリンク局を２度経由しなければならないため、伝送遅延の影響を大きく受け、音声通信には適さない。

一方、メッシュ型ネットワークでは、衛星システムの端末間を衛星経由でダイレクトにつなげることができ、伝送遅延を約半分に短縮することが可能である。またＰＴＴ（Push to Talk）でグループ内同時通話ができるため、非常災害時の通信手段として有用である。しかし、課全情報等の制御を目的として、衛星とフィーダリンク局との間に回線が別途必要である。
ＳＴＩＣＳの衛星としては、スター型とメッシュ型のネットワークの機能をともに有し、通信ニーズに合わせて適切に通信回線を配分できる性能を有することが望まれる。

［周波数］
ここではＳＴＩＣＳのサービスリンクに使用する周波数について述べる。例として、ＩＭＴ−２０００１の主要な周波数割当を図１２に示す。国際ローミングを容易にするため、日本でも１ＭＴ−２０００に則した周波数割当がなされており、移動体衛星業務（ＭＳＳ）には、上り１９８０〜２０１０ＭＨｚ／下り２１７０〜２２００ＭＨｚの各３０ＭＨｚが割り当てられている。現在、同帯域にはＩＭＴ−２０００の割当もなされているが、干渉の問題により、ＭＳＳの利用に限られている。地上と衛星の周波数共用がなされることで、周波数の有効利用が実現される。

しかし、図１２に示すようにＳＴＩＣＳでは、ＭＳＳ帯域をＳＴＩＣＳの地上システムと衛星システムが共有し、その近接帯域をＩＭＴ−２０００が利用するため、ＳＴＩＣＳとＩＭＴ−２０００間で干渉が生じる。ただし、ＭＳＳ帯域にはＳＴＩＣＳ以外のシステムは存在しないものとする。ＳＴＩＣＳ内の地上／衛星のシステム間の干渉は以下の［地上/衛星統合方式］で述べるものとし、ここではＳＴＩＣＳの上り／下りがＭＳＳと同一の場合を例に、近接するＩＭＴ−２０００帯域との間で発生する干渉について述べる。

ＳＴＩＣＳ上りにおいては、衛星は隣接周波数に存在する多数の１ＭＴ−２０００ユーザからの漏えい信号による干渉を受けるため、干渉波を十分抑圧するための急峻な帯域フィルタ等を必要とする。また、ＳＴＩＣＳ下りにおいては、衛星は多数のＳＴＩＣＳユーザの変調信号を共通増幅するため、増幅器の非線形による相互変調積が発生する。この相互変調積による周波数の広がりがＩＭＴ−２０００への干渉となるため、高線形性の増幅器や急峻な帯域フィルタの使用等の対策が必要となる。

［サービスエリア］
図１３に、電気開口径３０ｍアンテナによるＳＴＩＣＳのマルチビーム配置を示す。図１３において各ビームはビームエッジでのアンテナ利得４７ｄＢｉを示し、それぞれが衛星セルとして機能する。サービスエリアとして、国民の安心・安全、そして国家の安全保障を確保するには、離島を含む日本国内（本土及び離島含む）に限らず周辺の海上においては排他的経済水域まで含むことが必要である。図１３では南鳥島を除く日本の本土及び排他的経済水域がカバーされている。

また、将来のビジネス及び有事でのニーズを考慮すると衛星スポットビームのサイズ及び総数に応じ、ビームを近隣諸国へ柔軟に配置できる機能が求められる。

［周波数利用計画］
ここではＳＴＩＣＳのサービスリンクとフィーダリンクの周波数利用計画について述べる。なお、ＭＳＳでの周波数割当に従い、地上及び衛星システムの各通信方式を上り／下りの対称なＦＤＤ（Frequency Division Duplex）とし、上り回線について述べる。ただし、下り回線についても同様である。

サービスリンクについては、ＳＴＩＣＳ帯域に地上システムと衛星システムが共存するための方式として次の２方式に分けられる。
（１） 周波数共用方式
（２） 周波数分離方式

更に、上記各方式には次の２モードがある。
（１） ノーマルモード
（２） リバースモード
ノーマルモードでは地上システムの上り/下りと衛星システムの上り/下りが同一であり、リバースモードでは逆となる。ノーマルモードとリバースモードは干渉の発生メカニズムが異なる。非各方式と各モードの概略を図１４に示す。

フィーダリンクについては、Ｋｕ帯（上り１４ＧＨｚ／下り１２ＧＨｚ）の使用を想定する。ＳＴＩＣＳの周波数利用計画とともに主要なシステム諸元を表１にまとめる。

［地上/衛星統合方式］
ＳＴＩＣＳ帯域内及び外への干渉については既に述べたため、ここではＳＴＩＣＳの地上システムと衛星システム間での干渉のみについて説明する。

［周波数共用方式］
周波数共用方式は、地上システムと衛星システムがＳＴＩＣＳ周波数の全帯域を共有する方式である。ここでは３０ＭＨｚ帯域を衛星システムでの使用として７バンド（ｆ１、ｆ２、・・・、ｆ７）に均等に分割する場合を例に述べる。なお、地上システムと衛星システムで分割されたバンドをそれぞれ地上バンド、衛星バンドと呼ぶ。

図１５に地上システムと衛星システムの周波数割当の様子を示す。この図１５は、地上システムが各衛星バンドで利用しない残りの帯域をすべて利用できることを示している。衛星システムでの各バンドはそれぞれ異なる周波数の衛星セルとなり、これら７つの衛星セルで一つのクラスタを構成する。図１５では、そのクラスタを繰り返すことでマルチビームを形成する様子を示している。このように周波数を繰り返すことで、同一周波数の衛星セルは空間的に互いにある程度離れ、衛星システム内の干渉を低減できると同時にサービスリンクの回線容量や周波数利用効率を向上することができる。

一方、地上システムでは、衛星バンドと同一の周波数は干渉のため利用できず、それ以外の帯域を使用する。このため、地上システムでは衛星バンドに分断されたＳＴＩＣＳ周波数全体を効率良く利用するための技術が必要となる。

次に、図９に示すようにＳＴＩＣＳ周波数をマルチバンド化（図の例では６バンド）し、地上システムと衛星システムで協調しつつ、地上システムでは衛星バンドと衝突するバンドを不使用とする方法（以下、「マルチバンド化周波数共用方式」と呼ぶ）を提案する。図９で、各バンドは５ＭＨｚとなり、地上システムについてはＷ−ＣＤＭＡの帯域幅と整合をとることが可能である。これにより、単純な方式で地上バンドを運用することができる。ただし、図９から分かるように、分割数が少ない場合、言い換えれば各バンドが大きい場合には、地上で使用できないバンドが増え、周波数利用効率が低下する。マルチバンド化での分割方法については、３Ｇや次世代携帯電話システムとの整合性や非常災害時の需要への適応性を考慮できる仕組みが必要である。
地上システムと衛星システムのシステム間干渉については、以下に示す［地上/衛星システム間干渉］で述べる。

［周波数分離方式］
周波数分離方式は、地上システムと衛星システムでＳＴＩＣＳ帯域を分離して使用する方式である。図１６ではＳＴＩＣＳ帯域を７分割し、衛星バンドと地上バンドに３：４の比率でバンドを割り当てる場合の例を示す。なお、この分割数や比率をトラヒックやプライオリティに基づきダイナミックに変更することにより、非常災害時の局所的トラヒックの急増やトラヒックの変動にバンドごとの柔軟性で適応的に対応ができる。

バンドごとの柔軟性を実現するには、地上システムと衛星システムの協調制御が不可欠となり、バンド数に応じてＳＴＩＣＳ全体を制御するネットワーク技術の確立が求められる。衛星システムは、割り当てられたバンドを用いて周波数繰返し数に分割し、マルチビーム化を行う。衛星セルのクラスタ化については図１５に示す周波数共用方式と同じである。例えば平常時には衛星システムのトラヒックは少ないため、衛星システムにバンドをより少なく、逆に地上システムにバンドをより多く割り当てることが可能である。

周波数分離方式の最大のメリットは、地上システムと衛星システムは異なる周波数を使用するため、システム間の干渉が生じないことである。しかし、図１６に示すように衛星システムの割当帯域が小さい場合、マルチビームを構成するため、帯域を更に分割する必要があり、各スポットビーム内の各ユーザヘの割当帯域が減少し、結果として最大データレートが低く抑えられる欠点がある。地上においてもＳＴＩＣＳ周波数のすべてを使用することができないため、利用可能な周波数は減少する。

周波数共用方式と周波数分離方式の特徴を表２にまとめる。周波数共用方式は地上システムと衛星システム間の干渉問題があるが、多くのメリットを有している。他方、周波数分離方式には干渉問題はないが、図７及び図１６の比較から分かるように利用可能な周波数が減少する。

［地上/衛星システム間干渉］
ここでは、同一領域において地上セルは衛星セルと同じ周波数を利用しないという仕様に基づく、周波数共用方式のシステムを前提としている。
多くのメリットを有する周波数共用方式を実現するには、地上システムに接続する端末（以下、「地上端末」と呼ぶ）、基地局、衛星システムに接続する端末（以下、「衛星端末」と呼ぶ）、そして衛星のそれぞれの間の干渉発生メカニズムをモデル化した上で、干渉の定量的評価が必要である。なお、ノーマルモードの干渉については非特許文献１において詳細な研究がなされているが、リバースモードの干渉やＳＴＩＣＳを実現するための具体的なシステム構成は述べられていない。

ノーマルモードにおける地上／衛星システム間の同一周波数の干渉発生の仕組を図４（ａ）に示す。このモードでは、衛星の数を１として衛星端末数、地上端末数、そして基地局数の比を考慮すると、主な干渉は衛星で受ける地上端末からの信号である。更に地上端末のアンテナは指向性が弱いため、衛星への干渉の程度は大きくなる。他方、リバースモードでの地上／衛星システム間の同一周波数の干渉発生の仕組を図４（ｂ）に示す。ノーマルモードと同様に考えると、主な干渉は衛星で受ける基地局からの信号である。しかし、基地局のアンテナは指向性が強いため、衛星で受ける干渉の程度はノーマルモードに比べて小さくなると考えられる。これらの理由より、リバースモードがより適していると考えられる。ただし、端末においては地上システムと衛星システムのエアインタフェース、特に高周波フロントエンドの共通化ができないという欠点がある。

図１７に、衛星にて同一周波数として受信する、希望衛星セルからの希望波に対する隣接衛星セルからの干渉波の様子を示す。図１７に示すように衛星スポットビームの指向性パターンは希望衛星セル内にとどまらず、メインローブの一部やサイドローブは隣接衛星セルヘも及ぶため衛星では干渉波を受信する。隣接衛星セルには希望衛星セルと同一周波数を用いる多数の地上端末が存在するため、衛星に大きな干渉の影響を与える。

隣接衛星セルからの同一周波数の干渉を低減するには、衛星スポットビームを低サイドローブ化する方法と図６に示す衛星スポットビームの周りに空間的なが―ドバンド（以下、「空間ガードバンド」と呼ぶ）を設ける方法がある。低サイドローブ化は有効だが技術的限界がある。また、空間ガードバンドはガードバンドを大きくしすぎると図６に示すように同一周波数（ｆ７）の衛星セル同士で異周波数セル（ｆ７以外）を狭め合うため、結果として地上システムで周波数利用効率を向上できない。したがって日本の地理特性とトラヒック特性に最適なクラスタ構成及びガードバンド量の慎重な検討が必要である。その他、意図的な妨害波や偶発的な干渉波からの干渉については衛星ビームにヌルを形成することで抑圧することが可能である。

［衛星諸元］
衛星の主要諸元を表３に示す。ここでトランスペアレントとは、衛星で上り回線の信号を変復調や符復号等の再生を行わず単に増幅する方式を意味し、ベントパイプとも呼ばれる。Ａ―ＥＩＲＰ（Aggregate Effective Isotropic Radiated Power）は、アンテナ利得４９ｄＢｉと高周波有効送信電力３０ｄＢｉの合計である。フィーダリンク帯域は、サービスリンクで生じる総回線容量から算出され、サービスリンクの上り／下り各３０ＭＨｚをそれぞれ７周波数繰り返し、１００の衛星スポットビーム、そして帯域拡大率１．４のロールオフ率において各ビームに均一にユーザが存在した場合、上り／下り各６００ＭＨｚ（＝３０Ｍ×１００÷７×１．４）となる。

表４の前提条件では、全電力すべてを通信速度１０ｋｂｉｔ／ｓの音声通信に割り当てる場合１０,０００（＝１０^(80-40)/10）回線を収容でき、また全電力をすべて通信速度１０Ｍｂｉｔ／ｓのデータ通信へ割り当てる場合、１０（＝１０^(80-70)/10）回線を収容できる。音声回線数とデータ回線数の関係が線形であると仮定すると、図１４に示す衛星の回線容量の関係が得られる。この関係をもとに衛星の有効電力の配分を計画することができる。

［回線設計］
回線設計では、衛星諸元にアンテナ電気開口径３０ｍ及びビームエッジでのアンテナ利得４７ｄＢｉを用いる。通信サービスとしては、小型の携帯端末を用いる９．６ｋｂｉｔ／ｓ音声通信とノートパソコンサイズの可搬端末を用いる１０Ｍｂｉｔ／ｓデータ通信の２通りについてダブルホップ時の回線設計を行う。なお、非常災害時においては会議型通信等のニーズから可搬端末からデータのアップ及びダウンロードの需要が想定できることから、携帯端末に限らず可搬端末についても上り／下り対称の回線を検討する。ただし、回線設計では無符号化方式の場合を示すため、マイナスの回線マージンにおいても最終的には十分な回線マージンを確保できる。

携帯端末による音声通信と可搬端末によるデータ通信の回線設計を表６及び表８にそれぞれ示す。また、それぞれの回線設計の前提条件を表５及び表７に示す。表６から、衛星に超大形アンテナを搭載することにより、音声通信では衛星端末に０ｄＢｉ程度の小形アアンテナを採用してもシステム成立が可能であることが分かる。また、データ通信では、表８より可搬端末においてアンテナ利得２０ｄＢｉ程度のアンテナを採用することで１０Ｍｂｉｔ／ｓの通信速度を達成可能であることが分かる。

本発明であるリバース方式においては、図４から分かるように衛星での主な干渉は地上系基地局からの信号となる。この場合、地上系基地局は地上系端末に比べて相対的に数が少なく、また指向性アンテナを有するため、衛星方向へ放射される干渉電波はノーマル方式と比べて相対的に少ない。これにより、衛星系システムの通信速度の向上や通信容量の向上が可能となる。また、衛星搭載受信器では低雑音増幅器の耐飽和化、急峻なバンドパスフィルタの挿入、後段増幅器の耐飽和化、そしてＡ／Ｄ変換器の耐飽和化に伴う課題を軽減もしくは解消することが可能となる。その一方で、地上系と衛星系の上り／下り回線の周波数帯域が異なるため、送信系及び受信系の共通化は困難である。図８にリバース方式の地上／衛星共用モジュールを示す。

これは、上記の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法を用いて通信する衛星端末である。この衛星端末では、送信系低周波部１からの信号を高周波部切り替えスイッチ２によって衛星系高周波部３に送って衛星系アンテナ４で送信するか、または、地上系高周波部７に送って地上系アンテナ８で送信する。また、衛星系アンテナ４で受信した信号は、衛星系高周波部３で信号処理した後、高周波部切換えスイッチ６に送る。地上系アンテナ８で受信した信号は、地上系高周波部７で信号処理した後、高周波部切換えスイッチ６に送る。高周波部切換えスイッチ６では、衛星系高周波部３からの信号か、地上系高周波部３からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部５で信号処理する。ここで、上記衛星系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備える。また、上記地上系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備えるものである。また、上記送信系低周波部はエンコーダと変調ユニットを備え、
上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備えるものである。

地上系と衛星系の装置をスイッチにより切り換えることで変調器（ＭＯＤ）と復調器（ＤＥＭ）を共通化可能である。また、衛星系マルチビームよる周波数有効利用については、リバース方式により地上系からの衛星に与える干渉波量が大幅に軽減されるため、図６示した空間ガードバンドの縮小もしくは不要となり、また、図７に示した地上／衛星系周波数の管理やマージンが軽減もしくは不要となることで周波数有効利用やシステム全体の簡易化を図ることが可能となる。

本発明であるリバース方式により、地上系と衛星系のシステム相互干渉の大幅な軽減が可能である。しかしながら、干渉の完全な回避は不可能である。また、地上系のシステム帯域を柔軟に変更することは困難である。このような問題に対し、図９に示す周波数帯域のマルチバンド化を提案する。これにより、システム相互干渉を回避しつつも、地上系システムの現実的な周波数帯域の制御が可能となる。なお、このマルチバンド化はリバース方式に限らず、ノーマル方式においても有効である。このマルチバンド方式の基本構成例を図１０に示す。

これは地上系３バンドのマルチバンド方式を用いたリバース方式の衛星端末であり、地上／衛生共用モジュールである。この地上／衛星共用モジュールは、上記の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法を用いる。送信系低周波部からの信号を高周波部切り替えスイッチ２ａによって衛星系高周波部３に送って衛星系アンテナ４で送信するか、または、複数の地上系高周波部７ａ、７ｂ、７ｃから選択した１つに送って、アンテナ切換えスイッチ９で複数の地上系アンテナから選択した１つで送信する。また、衛星系アンテナ４で受信した信号は、衛星系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチ６ａに送り、一方、複数の地上系アンテナ８ａ〜８ｃからアンテナ切換えスイッチ９で選択した１つで受信した信号は、複数の地上系高周波部７ａ〜７ｃから選択した１つで信号処理した後、高周波部切換えスイッチ６ｂに送る。高周波部切換えスイッチ６ａでは、衛星系高周波部からの信号か、選択した地上系高周波部からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部５で信号処理する。さらに、上記衛星系高周波部３は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備えるものであり、上記地上系高周波部７ａ、７ｂ、７ｃは、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備えるものである。また、上記送信系低周波部１はエンコーダと変調ユニットを備え、上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備えるものである。

図１０に示すように、地上系ではマルチバンドの分割数に応じて装置の共通化の困難な場合は、必要数の送受信モジュールが必要となり、それらを切り替えることでシステムの通信バンドの切り替えに対応することが可能となる。

本発明は、静止衛星に限らず、低軌道の通信衛星においても適用することが可能である。
また、上記の地上／衛星共用モジュールは、衛星端末と通信衛星のどちらにも用いることができるので、通信衛星用に特別なものを用意する必要がない。
また、上記の様に、衛星端末と地上端末との共用端末を実現することができる。

１ 送信系低周波部
２ 高周波部切り替えスイッチ
３ 衛星系高周波部
４ 衛星系アンテナ
５ 受信系低周波部
６ 高周波部切換えスイッチ
７ 地上系高周波部
８ 地上系アンテナ
９ アンテナ切換えスイッチ

Claims (8)

1. 通信衛星、衛星端末、地上端末、基地局およびフィーダリンク局を備え第１および第２周波数帯を用いる周波数デュプレックス方式の地上／衛星共用携帯電話システムにおいて、
   該通信衛星は、該衛星端末および該フィーダリンク局と通信し、
   該衛星端末は、該通信衛星と通信し、
   該地上端末は、該基地局と通信し、
   該基地局は、該フィーダリンク局を通して該通信衛星と、また該地上端末と通信し、
   第１周波数帯において、上記通信衛星から衛星端末へのダウンリンク、上記地上端末から基地局へのアップリンクで、かつ、
   第２周波数帯において、上記衛星端末から上記通信衛星へのアップリンク、上記基地局から地上端末へのダウンリンクで、運用することを特徴とする地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
2. 第１周波数帯を、上記通信衛星から衛星端末へのダウンリンクの周波数帯と上記地上端末から基地局へのアップリンク周波数帯用とに分割して運用し、かつ、
   第２周波数帯を、上記衛星端末から通信衛星へのアップリンクの周波数帯と上記基地局から地上端末へのダウンリンク周波数帯とに分割して運用することを特徴とする請求項１に記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
3. 上記衛星は、アップリンクまたはダウンリンクにマルチビームアンテナを使用するものであり、
   該マルチビームアンテナのカバーするエリアを、ビーム形状で作られるビームパタンが概略相似構造をもつクラスタの繰り返しで構成し、
   上記クラスタは、複数のセルで構成し、それぞれの前記セルはそれぞれ異なる周波数の電波のビームパタンであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
4. 上記クラスタ内での周波数の配分は、上記通信衛星と上記衛星端末あるいは上記基地局との通信に使用する周波数を決めた後に、
   該クラスタで使用可能な周波数のうちの残りの周波数を、上記基地局と上記地上端末または上記衛星端末との通信用に割り当てることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
5. 上記通信衛星と上記衛星端末あるいは上記基地局との通信に使用する周波数は、異なるクラスタに異なる周波数を割り当てることを特徴とする請求項４に記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
6. 上記通信衛星と上記衛星端末との通信用（以降、衛星系通信）の帯域幅と、基地局と地上端末との通信用（以降、地上系通信）の帯域幅（地上系帯域幅）との比率は任意に設定可能であって、上記衛星系通信の帯域と、上記地上系通信の帯域とは重ならないように地上系通信用帯域を割り当てることを特徴とする請求項５に記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法。
7. 上記通信衛星または衛星端末は、
   送信系低周波部１からの信号を高周波部切り替えスイッチによって衛星系高周波部に送って衛星系アンテナで送信するか、または、地上系高周波部に送って地上系アンテナで送信するかを行い、
   衛星系アンテナで受信した信号は、衛星系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、地上系アンテナで受信した信号は、地上系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、高周波部切換えスイッチでは、衛星系高周波部からの信号か、地上系高周波部からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部で信号処理する、衛星端末を、備え、
   上記衛星系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備え、
   上記地上系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備え、
   上記送信系低周波部はエンコーダと変調ユニットを備え、
   上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備えるものであって、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法を用いて通信するものであることを特徴とする地上／衛星共用携帯電話システム。
8. 上記通信衛星または衛星端末は、
   送信系低周波部からの信号を高周波部切り替えスイッチによって衛星系高周波部に送って衛星系アンテナで送信するか、または、複数の地上系高周波部から選択した１つに送って複数の地上系アンテナから選択した１つで送信するかし、
   衛星系アンテナで受信した信号は、衛星系高周波部で信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、
   複数の地上系アンテナから選択した１つで受信した信号は、複数の地上系高周波部から選択した１つで信号処理した後、高周波部切換えスイッチに送り、
   高周波部切換えスイッチでは、衛星系高周波部からの信号か、選択した地上系高周波部からの信号かの何れかを選択して、受信系低周波部で信号処理する、地上／衛星共用モジュールを、備え、
   上記衛星系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、衛星系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサと、を備え、
   上記地上系高周波部は、高周波送信部と高周波受信部と、地上系アンテナと該高周波送信部または該高周波受信部との接続を切換えるダイプレクサを備え、
   上記送信系低周波部はエンコーダと変調ユニットを備え、
   上記受信系低周波部はデコーダと復調ユニットを備える地上／衛星共用モジュールを備えるものであって、
   請求項１から６のいずれか１つに記載の地上／衛星共用携帯電話システムのシステム相互干渉軽減方法を用いて通信することを特徴とする地上／衛星共用携帯電話システム。

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