JP2019022070A5 - 無線中継装置、遠隔制御装置及び通信システム - Google Patents

Description

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ＨＡＰＳ（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。

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を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部１５０とを備える。光ビーム制御情報取得部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。

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精度よく行うために、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。

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を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、本実施形態によれば、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。

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
１５０ 光ビーム制御情報取得部

Claims (21)

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、
   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、
   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。
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。
4. 請求項１乃至３のいずれか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。
5. 請求項１乃至４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。
6. 請求項１乃至５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。
7. 請求項１乃至６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。
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。
11. 請求項１乃至１０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。
12. 請求項１乃至１１のいずれかの無線中継装置において、
    前記ビーム制御部又は前記光通信部は遠隔的に制御され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。
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。
15. 請求項１乃至１４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。
16. 請求項１５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。
17. 請求項１乃至１６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。
18. 請求項１乃至１７のいずれかの無線中継装置における前記ビーム制御部又は前記光通信部を遠隔的に制御する遠隔制御装置。
19. 請求項１乃至１７のいずれかの無線中継装置と請求項１８の遠隔制御装置とを備える通信システム。
20. 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を制御する遠隔制御装置であって、
    前記無線中継装置は、
    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、
    当該遠隔制御装置は、前記無線中継装置における前記ビーム制御部又は前記光通信部を遠隔的に制御する、ことを特徴とする遠隔制御装置。
21. 通信システムであって、
    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と、前記無線中継装置を制御する遠隔制御装置と、を備え、
    前記無線中継装置は、
    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、
    前記遠隔制御装置は、前記無線中継装置における前記ビーム制御部又は前記光通信部を遠隔的に制御する、ことを特徴とする通信システム。