JP2019022070A - ３次元対応指向性光アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】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無線通信の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、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広域に渡って安定に構築する電波資源への影響が小さい無線中継装置を提供する。
【解決手段】無線中継装置としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００ｋｍ以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に、外向きの指向性ビームが変化するように制御可能な光アンテナ装置１３０、２３０を介して、光通信先との間で光通信を行う光通信部１２５と、無線中継局が設けられた光ビーム制御情報及び光通信部の受信感度の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部１４５と、情報取得部で取得した情報に基づいて光アンテナ装置の指向性ビームを制御するビーム制御部１２６とを備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、第５世代通信の３次元化ネットワークを構築するＨＡＰＳに適した３次元対応指向性光アンテナ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広域にわたって安定に実現することが課題になっている。更に、このような高速大容量通信を行うネットワークにおいては電波周波数資源への影響も課題である。

本発明の一態様に係る無線中継装置は、地上基地局と端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える無線中継装置であって、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ている。前記無線中継装置は、外向きの指向性ビームが変化するように制御可能な光アンテナ装置を介して、光通信先との間で光通信を行う光通信部と、前記光アンテナ装置の指向性ビームを前記光通信先に向けるための光ビーム制御情報を取得し、前記取得した光ビーム制御情報に基づいて、前記光通信先の方向に向けるように前記光アンテナ装置の指向性ビームを制御するビーム制御部と、を備える。
前記無線中継装置において、前記光ビーム制御情報は、前記浮揚体の姿勢及び位置、前記光通信先の位置、並びに、前記光通信部の受信強度及び受信感度の少なくとも一つを含んでもよい。

また、前記無線中継装置において、前記光アンテナ装置は、互いに異なる外向きの指向性を有する複数の光アンテナを備え、前記ビーム制御部は、前記光ビーム制御情報に基づいて、前記光通信先との光通信に用いる光アンテナを選択してもよい。
また、前記無線中継装置において、前記ビーム制御部は、前記光ビーム制御情報の時間変化に基づいて、前記光通信先との光通信に用いる光アンテナを予測して順次選択してもよい。
また、前記無線中継装置において、前記複数の光アンテナは、互いに隣り合う光アンテナの指向性ビームが一部オーバラップするように配置されていてもよい。
また、前記無線中継装置において、前記光通信部は、前記光アンテナの切り換え時に切り替え前後の複数の光アンテナそれぞれを介した光通信を同期させて所定時間オーバラップするように前記光通信先との光通信を行ってもよい。
また、前記無線中継装置において、前記光通信部は、前記複数の光アンテナのうち前記光通信先との光通信に用いてない光アンテナへの電力供給を停止又は低下させるように制御してもよい。

また、前記無線中継装置において、前記光アンテナ装置は、指向性を有する光アンテナと、前記光アンテナの指向性ビームを変化させるように前記光アンテナを駆動するアンテナ駆動部とを備え、前記ビーム制御部は、前記取得した光ビーム制御情報に基づいて前記アンテナ駆動部を制御してもよい。
また、前記無線中継装置において、前記光アンテナ装置は、前記指向性ビームの方向及び広がり角度の少なくとも一方を調整可能に構成してもよい。

また、前記無線中継装置において、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であってもよいし、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。
また、前記無線中継装置において、前記光通信部は、前記光通信先との間の相対的な位置の変化に応じて光の強度を制御してもよい。
また、前記無線中継装置において、前記光通信部は、夜間の時間帯に光の強度を低下させるように制御してもよい。
また、前記無線中継装置において、前記ビーム制御部又は前記光通信部における制御を遠隔的に行う遠隔制御装置を備えてもよい。
また、前記無線中継装置において、前記光通信の通信先は、前記浮揚空域に位置する他の空中浮揚型の無線中継装置を含んでもよいし、人工衛星を含んでもよい。
また、前記無線中継装置において、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成し、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し、更に５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であってもよい。
また、前記無線中継装置において、前記浮揚体は、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。

本発明によれば、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の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、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広域にわたって安定に実現することができるとともに、電波周波数資源への影響がない。

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。 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。 実施形態の複数のＨＡＰＳで上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図。 更に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。 実施形態のＨＡＰＳの光通信部及びビーム制御部の一構成例を示す概略構成図。 実施形態のＨＡＰＳの光通信部におけるアンテナ装置の一構成例を示す概略構成図。 実施形態のＨＡＰＳの光通信部におけるアンテナ装置の他の構成例を示す概略構成図。

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、複数の空中浮揚型の無線中継装置として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等の航空機であるドローン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（ゲートウェイ）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とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。

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制御用通信端末装置（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。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。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や各種センサなどで取得した観測データなどの情報を、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。

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２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２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太陽光発電パネル（以下「ソーラーパネル」という。）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。ソーラーパネル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、昼間などのソーラーパネル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、夜間などのソーラーパネル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。

また、ＨＡＰＳ１０は、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる３次元対応指向性の光アンテナ装置１３０を備えている。なお、図２の例では主翼部１０１の長手方向の両端部に光アンテナ装置１３０を配置しているが、ＨＡＰＳ１０の他の箇所に光アンテナ装置１３０を配置してもよい。

図３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３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ーパネルを設け、ソーラー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。

また、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０も、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる３次元対応指向性の光アンテナ装置２３０を備えている。なお、図３の例では飛行船本体２０１の上面部及び機器収容部２０３の下面部に光アンテナ装置２３０を配置しているが、ＨＡＰＳ２０の他の部分に光アンテナ装置２３０を配置してもよい。

図４は、実施形態の複数のＨＡＰＳ１０，２０で上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図である。複数のＨＡＰＳ１０，２０は、上空で互いに光通信（ＨＡＰＳ間通信）できるように構成され、３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた無線通信ネットワークを形成する。この無線通信ネットワークは、各種環境や各種情報に応じたダイナミックルーティングによるアドホックネットワークとして機能することもできる。上記無線通信ネットワークは、２次元又は３次元の各種トポロジーを有するように形成することができ、例えば、図４に示すようにメッシュ型の無線通信ネットワークであってもよい。

図５は、更に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。なお、図５において、前述の図１と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。

図５の実施形態では、ＨＡＰＳ１０と移動通信網８０のコアネットワークとの間の通信を、フィーダ局７０及び低軌道の人工衛星７２を介して行っている。この場合、人工衛星７２とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。また、ＨＡＰＳ１０と人工衛星７２との間の通信については、レーザ光などを用いた光通信で行っている。

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５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。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、ＨＡＰＳ間通信などに用いる光通信部１２５とビーム制御部１２６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。

光通信部１２５は、レーザ光等の光通信媒体を介して周辺の他のＨＡＰＳ１０，２０や人工衛星と通信する。この通信により、ドローン６０等の端末装置と移動通信網８０との間の無線通信を動的に中継するダイナミックルーティングが可能になるとともに、いずれかのＨＡＰＳが故障したときに他のＨＡＰＳがバックアップして無線中継することにより移動通信システムのロバスト性を高めることができる。

ビーム制御部１２６は、ＨＡＰＳ間通信や人工衛星との通信に用いるレーザ光などのビームの方向及び強度を制御したり、周辺の他のＨＡＰＳ（無線中継局）との間の相対的な位置の変化に応じてレーザ光等の光ビームによる通信を行う他のＨＡＳＰ（無線中継局）を切り替えるように制御したりする。この制御は、例えば、ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢、周辺のＨＡＰＳの位置などに基づいて行ってもよい。ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳに組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて取得し、周辺のＨＡＰＳの位置の情報は、移動通信網８０に設けた遠隔制御装置８５又は他のＨＡＰＳ管理サーバから取得してもよい。

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。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、光通信部１２５とビーム制御部１２６とを備える。

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、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及び図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のサーバ装置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。

上記実施形態において、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏及びその上空の空間は大気の影響を受けにくいため、かかる空間における通信としては光通信が向いている。特に、光通信は、通信媒体のレーザ光などの光がマイクロ波などの電波と比して波長が短く周波数が高いため、高速大容量通信が可能であり、電波周波数資源の問題がない。

しかしながら、上記ＨＡＰＳ間通信や人工衛星との通信に用いるレーザ光などの光ビームは指向性が強いため光軸合わせが重要である。特に、ソーラープレーン型のＨＰＡＳ１０は機体の姿勢・位置が常に変化するため、いかに光信号の送受信を維持するかが課題である。特に、ＨＡＰＳ間通信の場合は、ＨＡＰＳ間の位置が互いに変化するため、より課題が大きい。

そこで、本実施形態では、上記上空でＨＡＰＳ１０，２０の位置や姿勢が変化した場合でもＨＡＰＳ間通信や人工衛星との通信を維持できるように、ＨＡＰＳ１０，２０は、外向きの指向性ビームが変化するように制御可能な光アンテナ装置を用いている。そして、光アンテナ装置の指向性ビームを他のＨＡＰＳや人工衛星などの光通信先に向けるための光ビーム制御情報を取得し、その取得した光ビーム制御情報に基づいて、光通信先の方向に向けるように光アンテナ装置の指向性ビーム（光ビーム）を制御している。

図９は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の光通信部１２５及びビーム制御部１２６の一構成例を示す概略構成図である。図９において、光通信部１２５は、レーザ光などのビーム状の光を送受信する光アンテナ装置１３０，２３０と、光アンテナ装置１３０，２３０を介して送受信する光信号を処理する光送受信信号処理部１３５とを備える。光アンテナ装置１３０，２３０は、互いに異なる外向きの指向性を有する複数の光アンテナを有する。各光アンテナは、例えば、高出力タイプの半導体レーザなどの発光素子と、高感度タイプの受光素子と、レンズなどの光学素子とを用いて構成することができる。

光送受信信号処理部１３５は、光アンテナ装置１３０，２３０で受信して電気信号に変換された光信号処理して受信データを生成したり、送信データを処理して光アンテナ装置１３０，２３０に送る光信号を生成したりする。

ビーム制御部１２６は、光アンテナ選択制御部１４０と光ビーム制御情報取得１５０とを備える。光ビーム制御情報取得１５０は、光アンテナ装置１３０，２３０の光ビーム（指向性ビーム）を光通信先に向けるための光ビーム制御情報を取得する。光ビーム制御情報は、例えば、ＨＡＰＳ１０．２０の姿勢及び位置、他のＨＡＰＳや人工衛星などの光通信先の位置、光通信部１２５から得られる光アンテナごとの受信強度若しくは受信感度などの情報である。光ビーム制御情報は、これらののの少なくとも一つを含む。

ＨＡＰＳ１０．２０の姿勢の情報は、例えば、光アンテナ装置の所定位置にあらかじめ測定基準部について測定されるロール角、ピッチ角及びヨー角であり、地球の重力方向及び真北方向を基準にして測定される。ＨＡＰＳ１０．２０や光通信先の位置情報は、例えばＧＰＳ受信信号に基づいて得られる位置情報（緯度、経度、高度）である。前述のように、ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳに組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて取得し、周辺のＨＡＰＳや人工衛星の位置の情報は、移動通信網８０に設けた遠隔制御装置８５又は他のＨＡＰＳ管理サーバから取得することができる。

光ビームの受信強度や受信感度の情報は、例えば、光アンテナ装置１３０、２３０を構成する複数の光アンテナのうち光通信に使用中の光アンテナとその周辺に配置されている光アンテナについて測定される受信強度や受信感度の情報である。光ビームの受信強度や受信感度の情報は、例えば、光通信部１２５の光送受信信号処理部１３５から取得することができる。

図１０は、実施形態のＨＡＰＳの光通信部１２５における光アンテナ装置１３０，２３０の一構成例を示す概略構成図である。図１０において、光アンテナ装置１３０，２３０は、半球型ドーム状のベース部材１３２の外周面に等間隔で複数の光アンテナ１３１が配置されている。光アンテナ装置１３０，２３０を前述の図２，３に示すようにＨＡＰＳ１０の左右側端部やＨＡＰＳ２０の上下端部に逆向きに組み合わせて設けることにより、全方向へ光軸合わせが可能になる３次元光アンテナ装置を構成することができる。複数の光アンテナ１３１は、互いに隣り合う光アンテナの指向性ビームが一部オーバラップするように配置してもよい。

図１０の光アンテナ装置１３０，２３０の場合、ビーム制御部１２６は、前記光ビーム制御情報に基づいて、複数の光アンテナ１３１から光通信先との光通信に用いる光アンテナを選択するように制御する。

ここで、光アンテナ１３１を切り替えるハンドオーバー時に連続的な光通信を維持するように次のような制御を行ってもよい。例えば、ビーム制御部１２６は、前記通信中の光アンテナおよびその周辺の光アンテナの受信感度のなどの光ビーム制御情報の時間変化に基づいて、光通信先との光通信に用いる光アンテナを予測して順次選択するように制御してもよい。また、光通信部１２５は、光アンテナ１３１の切り換え時に切り替え前後の複数の光アンテナそれぞれを介した光通信を同期させて所定時間オーバラップするように光通信先との光通信を行ってもよい。また、光通信部１２５は、消費電力を抑制するために、複数の光アンテナ１３１のうち光通信先との光通信に用いてない光アンテナへの電力供給を停止又は低下させるように制御してもよい。また、光アンテナ装置１３０、２３０は、光通信先との光軸あわせを制度よく行うために、光アンテナ１３１の指向性ビームの方向及び広がり角度の少なくとも一方を調整可能に構成してもよい。

なお、上記図９及び図１０の例では複数の光アンテナを配置しているが、図１１に示すように単一の光アンテナ１３１を回転駆動するように構成してもよい。

図１１において、光アンテナ１３１を回転駆動するアンテナ駆動部は、固定配置された円盤状のベース部材１３２と、ベース部材１３２上で図中Ａ方向に回転駆動可能な半球ドーム状の回転部材１３３と、回転部材１３３の外周面に形成されたスリット１３３ａに沿って、外向きに指向性を向けながら光アンテナ１３１が図中Ｂ方向に移動するように、先端部に光アンテナ１３１が設けられ回転部材１３３の中心を揺動軸として揺動可能な支持アーム部材１３４とを用いて構成されている。回転部材１３３の回転させる駆動部や支持アーム部材１３４を揺動させる駆動部はモータ及びギアなどで構成してもよい。回転部材１３３を回転させるとともに支持アーム部材１３４を揺動させることにより、光アンテナ１３１の指向性ビームを半球面の任意の方向に変化させることができる。また、図１１の光アンテナ装置１３０、２３０を上下逆向きに２つ組み合わせて配置することにより、前述の光ビーム制御情報に基づいて光アンテナ１３１を全方位に向けるように制御することができる。

以上、本実施系地によれば、上記３次元セルを構築するＨＡＰＳ１０，２０間の通信やＨＡＰＳ１０，２０と人工衛星７２との通信を、高速大容量通信が可能な光通信で安定して行うことができるため、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の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、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広域にわたって安定に実現することができる。しかも、ＨＡＰＳ１０，２０間の通信やＨＡＰＳ１０，２０と人工衛星７２との通信に光通信を用いているため、電波周波数資源への影響もない。

なお、本明細書で説明された処理工程並びに無線中継装置の無線中継局、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、無線中継局装置、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）
２０ ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
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
７２ 人工衛星
７５ マイクロ波給電局
８０ 移動通信網
８５ 遠隔制御装置
８６ サーバ装置
１００，２００，３００ ビーム
１０１ 主翼部
１０２ ソーラーパネル（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
１２５ 光通信部
１２６ ビーム制御部
１３０，２３０ 光アンテナ装置
１３１ 光アンテナ
１３２ ベース部材
１３３ 回転部材
１３３ａ回転部材のスリット
１３４ 支持アーム部材
１３５ 光送受信信号処理部
１４０ 光アンテナ選択制御部
１４５ 光ビーム制御情報取得部

Claims (19)

1. 地上基地局と端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える無線中継装置であって、
   前記無線中継局が設けられ、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と、
   外向きの指向性ビームが変化するように制御可能な光アンテナ装置を介して、光通信先との間で光通信を行う光通信部と、
   前記光アンテナ装置の指向性ビームを前記光通信先に向けるための光ビーム制御情報を取得し、前記取得した光ビーム制御情報に基づいて、前記光通信先の方向に向けるように前記光アンテナ装置の指向性ビームを制御するビーム制御部と、を備えることを特徴とする無線中継装置。
2. 請求項１の無線中継装置において、
   前記光ビーム制御情報は、前記浮揚体の姿勢及び位置、前記光通信先の位置、並びに、前記光通信部の受信強度及び受信感度の少なくとも一つを含むことを特徴とする無線中継装置。
3. 請求項１又は２の無線中継装置において、
   前記光アンテナ装置は、互いに異なる外向きの指向性を有する複数の光アンテナを備え、
   前記ビーム制御部は、前記光ビーム制御情報に基づいて、前記光通信先との光通信に用いる光アンテナを選択することを特徴とする無線中継装置。
4. 請求項３の無線中継装置において、
   前記ビーム制御部は、前記光ビーム制御情報の時間変化に基づいて、前記光通信先との光通信に用いる光アンテナを予測して順次選択することを特徴とする無線中継装置。
5. 請求項３又は４の無線中継装置において、
   前記複数の光アンテナは、互いに隣り合う光アンテナの指向性ビームが一部オーバラップするように配置されていることを特徴とする無線中継装置。
6. 請求項３乃至５のいずれかの無線中継装置において、
   前記光通信部は、前記光アンテナの切り換え時に切り替え前後の複数の光アンテナそれぞれを介した光通信を同期させて所定時間オーバラップするように前記光通信先との光通信を行うことを特徴とする無線中継装置。
7. 請求項３乃至６のいずれかの無線中継装置において、
   前記光通信部は、前記複数の光アンテナのうち前記光通信先との光通信に用いてない光アンテナへの電力供給を停止又は低下させるように制御することを特徴とする無線中継装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかの無線中継装置において、
   前記光アンテナ装置は、指向性を有する光アンテナと、前記光アンテナの指向性ビームを変化させるように前記光アンテナを駆動するアンテナ駆動部とを備え、
   前記ビーム制御部は、前記取得した光ビーム制御情報に基づいて前記アンテナ駆動部を制御することを特徴とする無線中継装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかの無線中継装置において、
   前記光アンテナ装置は、前記指向性ビームの方向及び広がり角度の少なくとも一方を調整可能に構成したことを特徴とする無線中継装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかの無線中継装置において、
    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であることを特徴とすることを特徴とする無線中継装置。
11. 請求項１乃至９のいずれかの無線中継装置において、
    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た飛行船であることを特徴とすることを特徴とする無線中継装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかの無線中継装置において、
    前記光通信部は、前記光通信先との間の相対的な位置の変化に応じて光の強度を制御することを特徴とする無線中継装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれかの無線中継装置において、
    前記光通信部は、夜間の時間帯に光の強度を低下させるように制御することを特徴とする無線中継装置。
14. 請求項１乃至１３のいずれかの無線中継装置において、
    前記ビーム制御部又は前記光通信部における制御を遠隔的に行う遠隔制御装置を備えることを特徴とする無線中継装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれかの無線中継装置において、
    前記光通信の通信先は、前記浮揚空域に位置する他の空中浮揚型の無線中継装置を含むことを特徴とする無線中継装置。
16. 請求項１乃至１５のいずれかの無線中継装置において、
    前記光通信の通信先は、人工衛星を含むことを特徴とする無線中継装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれかの無線中継装置において、
    地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成し、
    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無線中継装置。
18. 請求項１７の無線中継装置において、
    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無線中継装置。
19. 請求項１乃至１８のいずれかの無線中継装置において、
    前記浮揚体は、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無線中継装置。

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