JP2018157522A - 第５世代通信の３次元化 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる通信システムを提供する。【解決手段】端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、第５世代通信の３次元化に関するものである。

従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）−Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ−ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。

３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１０．１２．０（２０１４−１２）． ３ＧＰＰ ＴＳ ３６．３００ Ｖ１３．５．０（２０１６−０９）． Ｇ． Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ ＲＡＮ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ "５Ｇ"」，３ＧＰＰ，２０１６．

上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信にて、伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを実現したいという課題がある。

本発明の一態様に係る通信システムは、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成する。
前記通信システムにおいて、前記浮揚体に設けられた無線中継局を複数備え、前記複数の無線中継局はそれぞれ、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、前記セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なっていてもよい。
また、通信システムにおいて、前記複数のビームは、前記セル形成目標空域の上端面の全体をカバーするように形成されていてもよい。
また、通信システムにおいて、前記複数のビームは円錐状に形成され、そのビームの発散角をθ［ｒａｄ］とし、前記浮揚体の無線中継局の高度をＨｒｓ［ｍ］とし、前記複数の無線中継局の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とし、前記セル形成目標空域の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］としたとき、次式（１）を満たすようにしてもよい。

また、前記通信システムにおいて、前記セル形成目標空域の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］とし、前記浮揚体の無線中継局と前記端末装置との間の無線信号の最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］としたとき、次式（２）を満たすようにしてもよい。

また、前記通信システムにおいて、端末装置と無線通信するためのビームを前記セル形成目標空域に向けて形成する地上又は海上の無線中継局を備えてもよい。この地上又は海上の無線中継局は、前記セル形成目標空域のうち前記浮揚体側の無線中継局で形成されるビームが通過しない部分にビームを形成してもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体の無線中継局と直接に又は人工衛星を介して無線通信する地上又は海上のフィーダ局を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体及び前記無線中継局の少なくとも一方を遠隔的に制御する遠隔制御装置を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記無線中継局が設けられた浮揚体は、その浮揚体の下方に位置する地面の標高に基づいて、該地面に対する前記セル形成目標空域における３次元セルの高度が所定高度に維持されるように位置制御されてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体に設けられた無線中継局の位置、その無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度並びに制御する遠隔制御装置を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であってもよい。また、前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であってもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記無線中継局を設けた浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置してもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記無線中継局は、移動体通信網の基地局又はリピータであってもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記無線中継局は、エッジコンピューティング部を有してもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えてもよく、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電装置を備えてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であってもよい。

本発明によれば、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる。

本発明の一実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態の３次元化ネットワークを実現するＨＡＰＳの位置と各ＨＡＰＳで形成するビームと３次元セルとの関係を示す説明図。 実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。 実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図。 実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図。 季節に応じた通常ＨＡＰＳ及び高緯度対応ＨＡＰＳの選択利用の一例を示す説明図。 実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳに対する遠隔エネルビービーム給電の様子の一例を示す説明図。 実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳの遠隔エネルビービーム受電部の一構成例を示すブロック図。 実施形態のソーラ給電及び遠隔エネルビービーム給電に対応可能な高緯度対応ＨＡＰＳにおける給電制御系の一構成例を示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（「移動局」、「移動機」又は「ユーザ装置（ＵＥ）」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。

図１に示すように、通信システムは、複数の高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）１０，２０を備え、所定高度のセル形成目標空域４０に、図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の浮揚空域（以下、単に「空域」ともいう。）５０に浮遊して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に無線中継局が搭載されたものである。

ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、気象条件が比較的安定している高度が１５［ｋｍ］以上及び２５［ｋｍ］以下の範囲の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。

セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける一又は複数のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域である。セル形成目標空域４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局９０がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。

なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。

ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプターであるドローン６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ端末装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。

ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。

ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。

また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた通信オペレータの遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信できるように端末通信装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、遠隔制御装置８５から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理に関する情報を遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。

セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ Ｔｏ Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。

また、ＡＴＧ局を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。

図２は、他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図２の例では、３次元化ネットワークが形成される場所が、地面（ＧＬ）の起伏があって標高が変動している内陸部や山岳地帯の場合の例である。この場合、地面の標高にかかわらず、地面（ＧＬ）からのセル形成目標空域４０の相対的な高度が一定に維持されるように、下方に位置する地面の標高（地形データ）に基づいてＨＡＰＳ１０の高度が制御される。例えば、標高が低い平野部ではＨＡＰＳ１０の高度を２０［ｋｍ］に制御し、平地よりも３０００［ｍ］ほど標高が高い山岳地帯ではＨＡＰＳ１０の高度を２３［ｋｍ］に制御する。これにより、平野部及び山岳地帯のいずれにおいても、地面から高さが一定のほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成することができ、セル形成目標空域４０の上端面におけるビーム１００のスポットの大きさも一定に維持することができる。また、ＨＡＰＳ１０は、ＨＡＰＳ１０の高度の制御に代えて又はその高度の制御に加えて、下方の地面に起伏に応じて、ほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成するように、ビーム１００の発散角（ビーム幅）やビームの方向を微調整（トラッキング）してもよい。

図３は、実施形態の３次元化ネットワークを実現するＨＡＰＳ１０，２０の位置と各ＨＡＰＳ１０，２０で形成するビーム１００，２００と３次元セル４１，４２との関係を示す説明図である。ＨＡＰＳ１０，２０による３次元セル４１，４２の形成は、例えば以下のように制御される。

ＨＡＰＳ１０（無線中継局）の高度をＨｒｓ１［ｍ］とし、セル形成目標空域４０の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ１０とセル形成目標空域４０の上端との高度差はΔＨ１＝Ｈｒｓ１−Ｈｃｕ［ｍ］である。ＨＡＰＳ１０から鉛直方向の下方に向けて形成される円錐状のビーム１００の発散角をθ１［ｒａｄ］とすると、セル形成目標空域４０の上端におけるビーム１００の半径Ｒ１［ｍ］は次式（３）で表される。

また、ＨＡＰＳ２０（無線中継局）の高度をＨｒｓ２［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ２０とセル形成目標空域４０の上端との高度差はΔＨ２＝Ｈｒｓ２−Ｈｃｕ［ｍ］である。ＨＡＰＳ２０から鉛直方向の下方に向けて形成される円錐状のビーム２００の発散角をθ２［ｒａｄ］とすると、セル形成目標空域４０の上端におけるビーム２００の半径Ｒ２［ｍ］は次式（４）で表される。

ＨＡＰＳ１０（無線中継局）とＨＡＰＳ２０（無線中継局）の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするための条件式は、次式（５）のようになる。

ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ１が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするための条件式は、次式（６）のようになる。

上記式（５）又は式（６）を満たすように、各ＨＡＰＳ１０，２０の高度、ビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）及びＨＡＰＳ１０，２０の水平方向の間隔Ｄｒｓの少なくとも一つを調整・制御することにより、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーすることができる。

なお、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００それぞれの中心線の向きが鉛直方向から傾いている場合は、その傾きの角度を考慮して上記条件式（５）及び（６）を導出して設定すればよい。

また、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局と端末装置との間で無線信号（電波）を所定強度で受信できる最大到達可能距離は有限（例えば１００［ｋｍ］）である。その最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］とし、セル形成目標空域４０の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］すると、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが互いに通信することができる条件式は、次式（７）及び（８）で表される。

ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ１が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが互いに通信することができる条件式は、次式（９）のようになる。

上記式（７），（８）又は式（９）を満たすように、各ＨＡＰＳ１０，２０の高度及びビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）の少なくとも一つを調整・制御することにより、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが確実に通信することができる。

なお、上記ＨＡＰＳ１０，２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。

図４は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。図４のＨＡＰＳ１０はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳである。上面に太陽光発電機能を有する太陽光発電部としてのソーラパネル１０２が設けられ長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。

ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば旋回飛行を行ったり８の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。

図５は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ２０の他の例を示す斜視図である。図４のＨＡＰＳ２０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ２０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、無線中継局２１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。

なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラパネルを設け、ソーラパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。

図６は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。図６の無線中継局１１０，２１０はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、３Ｄセル（３次元セル）形成アンテナ部１１１と送受信部１１２とフィード用アンテナ部１１３と送受信部１１４とリピーター部１１５と監視制御部１１６と電源部１１７とを備える。

３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。

フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。

リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、周波数変換機能を有してもよい。

監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。

図７は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。図７の無線中継局１１０，２１０は基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図７において、図６と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図７の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、モデム部１１８を更に備え、リピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備える。

モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。

基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。

基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ−ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。

図８は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。図８の無線中継局１１０，２１０はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図８において、図６、７と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図８の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、図７の構成要素に加えてエッジコンピューティング部１２０を更に備える。

エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。

例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行する。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。

エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり移動通信網８０のサーバなどに送信したりしてもよい。

無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、上記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、上記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる通信端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。

次に、高緯度の地域での使用に適した高緯度対応ＨＡＰＳについて説明する。
図９は、季節に応じた通常ＨＡＰＳ及び高緯度対応ＨＡＰＳの選択利用の一例を示す説明図である。図９の高緯度地域５５Ｎ，５５Ｓでは、低緯度地域５５Ｃよりも日照時間が短く気流が強いため給電力を高めた高緯度対応ＨＡＰＳを用い、赤道直下地域を含む低緯度地域５５Ｌでは低緯度対応の通常ＨＡＰＳ（例えば前述の図４のＨＡＰＳ）を用いてもよい。

また、高緯度地域５５Ｎ，５５Ｓと低緯度地域５５Ｌとの境界線Ａ，Ｂは季節によって変動するので、その境界線が変動する北回帰線周辺及び南回帰線周辺の中間緯度地域５５ＭＡ，５５ＭＢ（Ａ−Ａ’間の地域及びＢ−Ｂ’間の地域）では利用するＨＡＰＳを季節に応じて切り換えてもよい。例えば、夏の場合は境界線がＡ，Ｂの位置に移動するので、Ａ−Ａ’間の中間緯度地域５５ＭＡで通常ＨＡＰＳを利用し、Ｂ−Ｂ’間の中間緯度地域５５ＭＢで高緯度対応ＨＡＰＳを利用する。一方、冬の場合は境界線がＡ’，Ｂ’の位置に移動するので、Ａ−Ａ’間の中間緯度地域５５ＭＡで高緯度対応ＨＡＰＳを利用し、Ｂ−Ｂ’間の中間緯度地域５５ＭＢで通常ＨＡＰＳを利用する。

図１０は、高緯度対応ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）１１に対する遠隔エネルビービーム給電の様子の一例を示す説明図である。図１０中のＨＡＰＳ１０において、図１と共通する構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図１０において、高緯度対応ＨＡＰＳ１１は、主翼部１０１の長手方向の両端部側それぞれに受電用ポッド１０８を備えている。受電用ポッド１０８の内部には、遠隔エネルギービーム受電部としてのマイクロ波受電部１３０とバッテリー１０６とが収容されている。マイクロ波受電部１３０は、地上又は海上の給電装置としてのマイクロ波給電局７５又は空中の給電装置としての給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて電力に変換して出力する。マイクロ波受電部１３０から出力された電力は、バッテリー１０６に蓄電される。

給電用飛行船２５は、例えば、気流にまかせてドリフトし、静止中のＨＡＰＳに順次、給電用マイクロ波ビームを送信して給電する。

図１１は、高緯度対応ＨＡＰＳ１１のマイクロ波受電部１３０の一構成例を示すブロック図である。図１１において、マイクロ波受電部１３０は、レクテナ部１３１とレクテナ制御部１３２と出力装置１３３とパイロット信号送信アンテナ部１３４とビーム方向制御部１３５とを備える。レクテナ部１３１は、地上又は海上のマイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて整流する。レクテナ制御部１３２は、レクテナ部１３１による給電用マイクロ波ビームの受電処理及び整流処理を制御する。出力装置１３３は、レクテナ部１３１から出力される整流後の電力をバッテリー１０６に出力する。パイロット信号送信アンテナ部１３４は、給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０の受電に先立って、給電用マイクロ波ビームを案内するレーザビーム等からなるパイロット信号のビームを、マイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５に向けて送信する。ビーム方向制御部１３５は、パイロット信号のビームの方向を制御する。

なお、図１０及び図１１の遠隔エネルギービーム給電では、エネルギービームとしてマイクロ波ビームを用いた場合について説明したが、レーザビームなどの他のエネルビービームを用いてもよい。

図１２は、ソーラ給電及び遠隔エネルビービーム給電に対応可能な高緯度対応ＨＡＰＳ１１における給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０の一構成例を示すブロック図である。高緯度対応ＨＡＰＳ１１の給電制御系１４０は、バス動力系電源１４１とミッション系電源１４２と電力供給調整装置１４３と制御部１４４とを備える。バス動力系電源１４１は、モータ駆動のプロペラ１０３等のバス動力系に電力を供給し、ミッション系電源１４２は無線中継局１１０等の通信設備（ミッション系）に電力を供給する。電力供給調整装置１４３は、バッテリー１０６から出力される電力について、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれへ供給する電力を調整する。制御部１４４は、バッテリー１０６からの電力の出力と、電力供給調整装置１４３による電力供給の調整と、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれからの電力の出力とを制御する。

図１２の給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０における制御は、次のように状況に応じたアルゴリズムにより効率的なエネルギーマネジメントを行うように実行する。例えば、バッテリー１０６に蓄電された電力を、制御部１４４からの指示により、電力供給調整装置１４３にて、バス動力系へ供給する電力とミッション系へ供給する電力のバランスを状況に応じて調整変更する。また、高緯度対応ＨＡＰＳ１１で形成する３次元セル内にアクティブユーザ数（端末装置の数）が少ない場合は、ミッション系からバス動力系への給電量を融通して高緯度対応ＨＡＰＳ１１の高度を上げて位置エネルギーとして蓄えるように制御してもよい。また、ミッション系が電力を必要とする場合には、バス動力系への供給量を減らし、高緯度対応ＨＡＰＳ１１の飛行モードを位置エネルギーを利用したグライダーモードに移行するように制御してもよい。

以上、本実施形態によれば、従来の地上の基地局９０とは異なり、地面又は海面の所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）のセル形成目標空域４０に広域の３次元セル４１，４２を形成し、その３次元セル４１，４２に在圏する複数の端末装置と移動通信網８０との通信を中継することができる。しかも、上記３次元セル４１，４２を形成するＨＡＰＳ１０，２０は、人工衛星よりも低い高度（例えば成層圏の高度）に位置するので、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置と移動通信網８０との間の無線通信における伝搬遅延が、人工衛星を介した衛星通信の場合よりも小さい。このように３次元セル４１，４２を形成できるとともに無線通信の伝搬遅延が低いので、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる。

特に、本実施形態によれば、高緯度対応ＨＡＰＳ１１を用いることにより、高緯度地域においても、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを長期間にわたって安定的に実現することができる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びに無線中継局、フィーダ局、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。

ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、基地局装置、無線中継装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、遠隔制御装置、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

１０ ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）、通常ＨＡＰＳ
１１ 高緯度対応ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
２０ ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
２５ 給電用飛行船
３０ ＡＴＧ局
４０ セル形成目標空域
４１，４２，４３ ３次元セル
５０ ＨＡＰＳが位置する空域
６０ ドローン
６５ 飛行機
７０ フィーダ局
７５ マイクロ波給電局
８０ 移動通信網
８５ 遠隔制御装置
１００，２００，３００ ビーム
１０１ 主翼部
１０２ 太陽光発電パネル
１０３ プロペラ
１０４ 連結部
１０５ ポッド
１０６ バッテリー
１０７ 車輪
１０８ 受電用ポッド
１１０，２１０ 無線中継局
１１１ ３次元（３Ｄ）セル形成アンテナ部
１１２ 送受信部
１１３ フィード用アンテナ部
１１４ 送受信部
１１５ リピーター部
１１６ 監視制御部
１１７ 電源部
１１８ モデム部
１１９ 基地局処理部
１２０ エッジコンピューティング部
１３０ 遠隔エネルギービーム受電部
１３１ レクテナ部
１３２ レクテナ制御部
１３３ 出力装置
１３４ パイロット信号送信アンテナ部
１３５ ビーム方向制御部
１４０ 給電制御系
１４１ バス動力系電源
１４２ ミッション系電源
１４３ 電力供給調整装置
１４４ 制御部
２０１ 飛行船本体
２０２ プロペラ
２０３ 機器収容部
２０４ バッテリー
２０５ マイクロ波ビーム送電部
２５０，７５０ 給電用マイクロ波ビーム

Claims (20)

1. 端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、
   前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
   前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成することを特徴とする通信システム。
2. 請求項１の通信システムにおいて、
   前記浮揚体に設けられた無線中継局を複数備え、
   前記複数の無線中継局はそれぞれ、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、
   前記セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なっていることを特徴とする通信システム。
3. 請求項２の通信システムにおいて、
   前記複数のビームは、前記セル形成目標空域の上端面の全体をカバーするように形成されていることを特徴とする通信システム。
4. 請求項３の通信システムにおいて、
   前記複数のビームは円錐状に形成され、そのビームの発散角をθ［ｒａｄ］とし、前記浮揚体の無線中継局の高度をＨｒｓ［ｍ］とし、前記複数の無線中継局の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とし、前記セル形成目標空域の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］としたとき、次式（１）を満たすことを特徴とする通信システム。
   

   
5. 請求項４の通信システムにおいて、
   前記セル形成目標空域の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］とし、前記浮揚体の無線中継局と前記端末装置との間の無線信号の最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］としたとき、次式（２）を満たすことを特徴とする通信システム。
   

   
6. 請求項１乃至５のいずれかの通信システムにおいて、
   端末装置と無線通信するためのビームを前記セル形成目標空域に向けて形成する地上又は海上の無線中継局を備えることを特徴とする通信システム。
7. 請求項６の通信システムにおいて、
   前記地上又は海上の無線中継局は、前記セル形成目標空域のうち前記浮揚体側の無線中継局で形成されるビームが通過しない部分にビームを形成することを特徴とする通信システム。
8. 請求項１乃至７のいずれかの通信システムにおいて、
   前記浮揚体の無線中継局と直接に又は人工衛星を介して無線通信する地上又は海上のフィーダ局を備えることを特徴とする通信システム。
9. 請求項１乃至８のいずれかの通信システムにおいて、
   前記浮揚体及び前記無線中継局の少なくとも一方を遠隔的に制御する遠隔制御装置を備えることを特徴とする通信システム。
10. 請求項１乃至９のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継局が設けられた浮揚体は、その浮揚体の下方に位置する地面の標高に基づいて、該地面に対する前記セル形成目標空域における３次元セルの高度が所定高度に維持されるように位置制御されることを特徴とする通信システム。
11. 請求項１乃至１０のいずれかの通信システムにおいて、
    前記浮揚体に設けられた無線中継局の位置、その無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度並びに制御する遠隔制御装置を備えることを特徴とする通信システム。
12. 請求項１乃至１１のいずれかの通信システムにおいて、
    前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
13. 請求項１２の通信システムにおいて、
    前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
14. 請求項１乃至１３のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継局を設けた浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする通信システム。
15. 請求項１乃至１４のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継局は、移動体通信網の基地局であることを特徴とする通信システム。
16. 請求項１乃至１４のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継局は、リピータであることを特徴とする通信システム。
17. 請求項１乃至１６のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継局は、エッジコンピューティング部を有することを特徴とする通信システム。
18. 請求項１乃至１７のいずれかの通信システムにおいて、
    前記浮揚体は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えることを特徴とする通信システム。
19. 請求項１乃至１８のいずれかの通信システムにおいて、
    前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電装置を備えることを特徴とする通信システム。
20. 請求項１乃至１９のいずれかの通信システムにおいて、
    前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であることを特徴とする通信システム。

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