JP2019121934A - ３次元化ネットワークにおけるドップラーシフト補正 - Google Patents

Abstract

【課題】上空を移動しながら地上に向けて複数のセルを形成する移動型の無線中継装置を用いる移動通信システムにおいて、複数のセルそれぞれの端末装置や地上又は海上のフィーダ局に対する無線中継装置の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制する。【解決手段】上空を飛行して移動可能に設けられ所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する移動型の無線中継装置とを備えた通信システムであって、セルに在圏する端末装置と無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記少なくとも一方の無線通信の周波数を補正する補正部とを備える。【選択図】図２１

Description

本発明は、３次元化セルを形成可能な無線中継装置及び通信システムに関するものである。

移動通信システムの無線中継装置（基地局）に対して端末装置（移動局）が移動しながら信号を送信したり受信したりすると、受信信号の周波数にドップラー現象による周波数シフト（以下「ドップラーシフト」という。）が発生する。このドップラーシフトに伴う受信信号の周波数誤差は通信品質に影響を与えるおそれがある。特許文献１には、基地局からのパイロット信号等の既知信号を用いてドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて受信信号の周波数を補正するユーザ端末（端末装置）が開示されている。

また、互いに異なる方向に指向性を有する複数のビームで形成される複数のセルを形成し、各セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信する無線中継装置が知られている。

特表２００８−５３７３８８号公報

上記複数のセルを形成する無線中継装置としては、例えば人工衛星に組み込まれた衛星局のように上空を移動しながら地上に向けて複数のセルを形成する移動型の無線中継装置がある。この移動型の無線中継装置を用いる移動通信システムでは、複数のセルそれぞれの端末装置に対する無線中継装置の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトにより通信品質の低下が発生するおそれがある。

特に、端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信において、数十ＧＨｚを超える高い周波数を用いる場合には、ドップラーシフトが端末装置の補償可能な範囲よりも大きくなってしまい所定の通信品質が得られないおそれがある。
また、上記移動型の無線中継装置と各セルとの位置関係によっては、無線中継装置に近づく端末装置が在圏するセルと無線中継装置から遠ざかる端末装置が在圏するセルとが混在するため、無線中継装置に対する端末装置の相対移動の方向及び速度が互いに異なる複数のセルが混在する場合がある。この場合、セルによってはドップラーシフトが大きくなってしまい所定の通信品質が得られないおそれがある。

また、上記複数のセルを形成する無線中継装置が端末装置から信号を受信する上りリンクでは、上記複数のセルそれぞれの端末装置に対する無線中継装置の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトにより、無線中継装置が端末装置から受信する上りリンクの受信信号の周波数がセル間で一部重複して干渉が発生するおそれがある。

本発明の一態様に係る通信システムは、上空を飛行して移動可能に設けられ所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する移動型の無線中継装置を備えた通信システムであって、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び前記無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記少なくとも一方の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
本発明の他の態様に係る無線中継装置は、上空を飛行して移動可能に設けられ所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する移動型の無線中継装置であって、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び前記無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記少なくとも一方の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを決定し、前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に適用してもよい。前記補正部は、前記フィーダ局又は前記無線中継装置に設けてもよい。
また、前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に前記セルごとに適用してもよい。
また、前記推定部又は前記補正部は、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に対する周波数オフセットを決定し、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、前記補正部は、前記フィーダリンクの周波数オフセットを前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に適用し、前記サービスリンクの周波数オフセットを前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に前記セルごとに適用してもよい。
前記補正部は、前記無線中継装置に設けてもよい。
また、前記推定部は、地図情報と前記無線中継装置のアンテナ指向性パターンとに基づいて前記セルの形状を推定し、その推定したセルの形状における幾何学的な中心点について、前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、前記補正部は、前記セルの幾何学的な中心点について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正してもよい。
また、前記推定部は、前記セルにおける複数の端末装置の現在位置情報の統計指標値に基づいて前記セル内の前記複数の端末装置の位置分布の中心値を推定し、その推定した前記複数の端末装置の位置分布の中心値について、前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、前記補正部は、前記セルにおける複数の端末装置の位置分布の中心値について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正してもよい。
また、前記推定部は、前記セルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置から送信される上りリンク参照信号に基づいて前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、前記補正部は、前記複数の端末装置について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定値の統計指標値に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正してもよい。
また、前記推定部は、前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報に基づいて、前記サービスリンクの無線通信及び前記フィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定してもよい。

本発明の他の態様に係る通信システムは、所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置を備えた通信システムであって、前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記複数の端末装置それぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置であって、前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記複数の端末装置それぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。前記無線中継装置は、上空を飛行して移動可能な飛行体に設けてもよい。前記無線中継装置は、上空を飛行して移動可能な飛行体に設けてもよい。
また、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記複数の端末装置の間で上りリンクの信号が前記ドップラーシフトによって周波数軸上で互いに干渉しないように前記端末装置の上りリンクのリソース割り当てを決定してもよい。
また、前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの上りリンクの無線通信の周波数に対する周波数オフセットを決定し、前記補正部は、前記周波数オフセットを前記上りリンクの無線通信の周波数に適用してもよい。

本発明の更に他の態様に係る通信システムは、所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置を備えた通信システムであって、前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定し、各端末装置のドップラーシフトのシフト量及びシフト方向に応じて前記複数の端末装置をグループ分けを行う推定部と、前記複数の端末グループそれぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末グループに含まれる端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信の周波数を前記端末グループごとに補正する補正部と、を備える。
本発明の更に他の態様に係る無線中継装置は、所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置であって、前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定し、各端末装置のドップラーシフトのシフト量及びシフト方向に応じて前記複数の端末装置をグループ分けを行う推定部と、前記複数の端末グループそれぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末グループに含まれる端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信の周波数を前記端末グループごとに補正する補正部と、を備える。
前記無線中継装置は、上空を飛行して移動可能な飛行体に設けてもよい。
また、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記複数の端末グループの間で上りリンクの信号が前記ドップラーシフトによって互いに周波数軸上で干渉しないように前記端末グループの端末装置からの上りリンクのリソース割り当てを決定してもよい。
また、前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記端末グループの端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの上りリンクの無線通信に対する周波数オフセットを決定し、前記補正部は、前記周波数オフセットを前記上りリンクの無線通信の周波数に適用してもよい。
また、前記補正部は、前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報に基づいて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信の周波数を補正してもよい。

また、前記推定部は、前記無線中継装置を介して前記端末装置に送信される下りリンク信号の周波数シフトの情報、前記セルを形成するアンテナ指向性の情報、前記端末装置から前記無線中継装置を介して送信される上りリンク信号の周波数シフトの情報、前記無線中継装置の位置情報の時間変化の情報及び前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報の少なくとも一つの情報に基づいて、前記ドップラーシフトを推定してもよい。
また、前記無線中継装置は、移動通信の基地局に接続された地上又は海上のリピーター親機と無線通信するリピーター子機であり、前記推定部及び前記補正部はそれぞれ、前記地上又は海上のリピーター親機、前記リピーター子機又は前記基地局に設けてもよい。
また、前記無線中継装置は、移動体通信の基地局であり、前記推定部及び前記補正部はそれぞれ、前記基地局に設けられてもよい。

本発明によれば、上空を移動しながら地上や海上に向けて複数のセルを形成する移動型の無線中継装置及びその無線中継装置を備えた通信システムにおいて、複数のセルそれぞれの端末装置や地上又は海上のフィーダ局に対する無線中継装置の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制することができる。

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。 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。 飛行中のＨＡＰＳとＨＡＰＳによって形成される複数のセルの端末装置との位置関係の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、飛行中のＨＡＰＳの無線中継局と端末装置との間の無線通信におけるドップラーシフトの一例を示す説明図。 飛行中のＨＡＰＳの無線中継局と端末装置との間の上りリンクの無線通信におけるドップラーシフトによる受信信号の干渉の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、周波数オフセットの決定の基準に用いるセルの中心値の定義の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、周波数オフセットの決定方法の一例を示す説明図及びグラフ。 ＬＴＥの上りリンクフォーマットの一例を示す説明図。 ＬＴＥの下りリンクフォーマットの一例を示す説明図。 飛行スケジュール情報に基づいて飛行しているＨＡＰＳの様子の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、端末装置ごとに行う上りリンクのリソース割当制御及びドップラーシフト補正制御の一例を示す説明図。 （ａ）はＨＡＰＳで形成する複数のセルと端末グループにグルーピングされる複数の端末装置との位置関係の一例を示す説明図。（ｂ）は、図１８（ａ）の複数の端末装置を時間軸上及び周波数軸上でグルーピングした端末グループの一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る通信システムのリピーター親機（フィーダ局）及びリピーター子機（ＨＡＰＳの無線中継局）における周波数変換の一例を示す説明図。 本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の一例を示すブロック図。 図２０のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャート。 本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の他の例を示すブロック図。 図２２のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャート。 本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の更に他の例を示すブロック図。 図２４のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャート。

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通信中継装置（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を備えている。ＨＡＰＳ１０，２０は、所定高度の空域に位置して、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］以下の高高度の空域（浮揚空域）５０に浮遊あるいは飛行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。この空域５０は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下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１又は２以上の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（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）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、例えば、地上（又は海上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのフィーダ局（ゲートウェイ）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上）側の基地局に接続されたフィーダ局（リピーター親機）７０と無線通信するリピーター子機である。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管理装置としての遠隔制御装置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したり遠隔制御装置８５に各種情報を送信したり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３０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、前記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であり、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の上面には、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が設けられている。また、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。なお、図２の例では、複数の無線中継局１１０を設けた例を示しているが、複数のポッド１０５のいずれか一方に無線中継局１１０を設けてもよい。

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通信部としての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。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信であってもよい。

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通信部としての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。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星と光通信に用いられる通信部は、このような光通信を行うものに限らず、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信を行うものであってもよい。

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によるＨＡＰＳ間通信が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。前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、他の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。
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、３Ｄセル形成アンテナ部１１１とともに第一無線通信部を構成し、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、フィード用アンテナ部１１３とともに第二無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、フィード用アンテナ部１１３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、所定周波数の中継対象信号を所定のレベルまで増幅するアンプ機能を有する。リピーター部１１５は、中継対象信号の周波数を変換する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。特に、監視制御部１１６は、制御プログラムを実行することにより、プロペラ１０３，２０２を駆動するモータ駆動部１４１を制御して、ＨＡＰＳ１０，２０を目標位置へ移動させ、また、目標位置近辺に留まるように制御する。

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７２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７２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、ＨＡＰＳ管理サーバやアプリケーションサーバ等のサーバ８６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に設けた遠隔制御装置８５、又は、ＨＡＰＳ管理サーバやアプリケーションサーバ（アプリサーバ）等のサーバ８６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、前記無線通信には、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、前記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。

以下、端末装置と無線通信する無線中継装置がソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０である場合について説明するが、以下の実施形態は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０等の他の無線中継装置にも同様に適用できる。また、一部の実施形態については、端末装置と無線通信する無線中継装置が地上又は海上に設置された固定型の無線中継装置（例えば、基地局やリピーター子機）にも同様に適用できる。

図９は、飛行中のＨＡＰＳ１０とＨＡＰＳ１０によって形成される複数のセル１００Ａ（１），１００Ａ（２）の端末装置６１（１），６１（２）との位置関係の一例を示す説明図である。また、図１０（ａ）及び（ｂ）は、飛行中のＨＡＰＳ１０の無線中継局と端末装置６１（１），６１（２）との間の無線通信におけるドップラーシフトの一例を示す説明図である。また、図１１は飛行中のＨＡＰＳ１０の無線中継局と端末装置との間のサービスリンクの上りリンク（「リバースリンク」ともいう。）の無線通信におけるドップラーシフトによる受信信号の干渉の一例を示す説明図である。

図９のＨＡＰＳ１０は、複数のビーム１００（１），１００（２）により地上の二次元的なセル１００Ａ（１），１００Ａ（２）を形成しながら、図中の左方向Ｆに飛行している。ビーム１００（１），１００（２）とセル１００Ａ（１），１００Ａ（２）とで囲まれて空間により３次元セルが形成される。各セル１００Ａ（１），１００Ａ（２）に在圏する端末装置６１（１），６１（２）は、サービスリンク、ＨＡＰＳ１０、フィーダリンク及びリピーター親機（フィーダ局）７１を介して、基地局９０と通信することができる。また、飛行方向Ｆに飛行しているＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０は、その飛行方向Ｆの下流側に位置するセル１００Ａ（１）内の端末装置６１（１）に近づき、飛行方向Ｆの上流側に位置するセル１００Ａ（２）内の端末装置６１（２）から遠ざかるように移動する。

図１０（ａ）に示すように、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０から下流側の端末装置６１（１）に周波数ｆ_ＳＬｄ１の送信信号９１１を送信するサービスリンクの下りリンク（「フォワードリンク」ともいう。）の無線通信では、ドップラー現象により、端末装置６１（１）で受信される受信信号９１１’の周波数が高周波側にドップラーシフトｆ_ｄだけシフトして周波数ｆ’_ＳＬｄ１（＝ｆ_ＳＬｄ１＋ｆ_ｄ）になる。一方、下流側の端末装置６１（１）からの上りリンクでは、下りリンクの受信信号９１１’の周波数ｆ’_ＳＬｄ１（＝ｆ_ＳＬｄ１＋ｆ_ｄ）を基準にして周波数ｆ’_ＳＬｕ１（＝ｆ_ＳＬｄ１＋ｆ_ｄ）の送信信号９１２が送信される。そして、ドップラー現象により、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０で受信される受信信号９１２’の周波数が高周波側にドップラーシフトｆ_ｄだけシフトして周波数ｆ’_ＳＬｕ１（＝ｆ_ＳＬｕ１＋ｆ_ｄ）になる。その結果、下りリンクの２倍近い周波数シフトがサービスリンク受信側で発生しうる。

また、図１０（ｂ）に示すように、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０から上流側の端末装置６１（２）に周波数ｆ_ＳＬｄ２の送信信号９２１を送信するサービスリンクの下りリンクの無線通信では、ドップラー現象により、端末装置６１（１）で受信される受信信号９２１’の周波数が低周波側にドップラーシフトｆ_ｄだけシフトして周波数ｆ’_ＳＬｄ２（＝ｆ_ＳＬｄ２−ｆ_ｄ）になる。一方、上流側の端末装置６１（２）からの上りリンクでは、下りリンクの受信信号９２１’の周波数ｆ’_ＳＬｄ２（＝ｆ_ＳＬｄ２−ｆ_ｄ）を基準にして周波数ｆ’_ＳＬｕ２（＝ｆ_ＳＬｄ２−ｆ_ｄ）の送信信号９２２が送信される。そして、ドップラー現象により、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０で受信される受信信号９２２’の周波数が高周波側にドップラーシフトｆ_ｄだけシフトして周波数ｆ’_ＳＬｕ２（＝ｆ_ＳＬｕ２−ｆ_ｄ）になる。その結果、下りリンクの２倍近い周波数シフトがサービスリンク受信側で発生しうる。

このように複数セル１００Ａ（１），１００Ａ（２）それぞれに在圏する端末装置６１（１），６１（２）に対するＨＡＰＳ１０の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトにより、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０と端末装置６１（１），６１（２）との間の無線通信において通信品質の低下が発生するおそれがある。

特に、図９の例では、飛行中のＨＡＰＳ１０が近づく端末装置６１（１）が在圏するセル１００Ａ（１）と、ＨＡＰＳ１０が遠ざかる端末装置６１（２）が在圏するセル１００Ａ（２）とが混在している。このようにＨＡＰＳ１０に対する端末装置６１の相対移動の方向及び速度が互いに異なる複数のセルが混在する場合、セルによっては端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対移動の速度が大きくなる場合がある。また、ＨＡＰＳ１０が高速で飛行しているときは、端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対移動の速度が大きくなってしまう。一般的に移動通信システムの端末装置としての移動局では、基地局からの参照信号等を用いて、ドップラー現象でシフトした周波数を新たな周波数の基準することでドップラーシフトを補正する補正機構が存在する。しかし、端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対速度が大きく、ドップラーシフト（周波数シフト）があまりにも大きい場合や、端末装置６１とＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０との間のサービスリンクの無線通信及びＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０とフィーダ局７１との間のフィーダリンクの無線通信において、数十ＧＨｚを超える高い周波数を用いる場合には、端末装置６１側でドップラーシフトを完全に補正できない。すなわち、ドップラー現象によって発生した受信信号の周波数のドップラーシフトが補正可能な範囲よりも大きくなってしまい通信品質が低下する。また、上記端末装置での補正機構により下りリンクのドップラーシフトを克服することは可能だが、前述のように上りリンクでは下りリンクの周波数を基準に送信されるため下りリンクの２倍近い周波数シフトがサービスリンク受信側で発生しうる。

また、図１１に示すように、上記複数のセル１００Ａ（１），１００Ａ（２）を形成するＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０が複数の端末装置６１（１），６１（２）からの信号９１２，９２２を受信する上りリンクでは、セル間でリソース割り当て領域（周波数：ｆ_ＳＬｕ１，ｆ_ＳＬｕ２）が重複しないように協調してスケジューリングを行うことが考えられる。しかし、このようなセル間の協調スケジューリングを行っても、ドップラーシフトｆ_ｄで発生した受信信号９１２’，９２２’の周波数オフセットにより、セル間で完全に直交していたリソースは直交性を失い、端末装置間（ユーザ間）の干渉が発生する。ＨＡＰＳ１０で形成されるセル１００Ａ（１），１００Ａ（２）の両端にいる端末装置（ユーザ）６１（１），６１（２）は周波数シフト量が真逆になるため、特に端末装置間（ユーザ間）のキャリア干渉が起きやすい。一度干渉してしまうと、その干渉を分離することが難しいため、周波数オフセットの補正をすることが難しい。

そこで、以下に示す各実施形態では、ＨＡＰＳ１０が形成するセルごと、セル内の端末装置ごと又は端末グループごとにドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて端末装置とＨＡＰＳとの間の無線通信の周波数を補正することにより、複数のセルそれぞれの端末装置に対するＨＡＰＳの相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制している。以下、本実施形態において、ドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて、ドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制するように端末装置とＨＡＰＳとの間の無線通信の周波数を補正する制御を、「ドップラーシフト補正制御」ともいう。

一実施形態では、ＨＡＰＳ１０が形成する複数のセル（３次元セル）１００Ａそれぞれについて、ＨＡＰＳ１０の移動によるセルに在圏する端末装置６１とＨＡＰＳ１０との無線通信におけるドップラーシフトを推定し、複数のセル１００Ａそれぞれについて、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、複数のセル１００Ａに在圏する端末装置６１とのＨＡＰＳ１０との間のサービスリンクの無線通信の周波数を補正する。例えば、無線中継局１１０としてのリピーター子機を搭載したＨＡＰＳ１０の移動方向とセル１００Ａの配置に応じて、セル１００Ａごとにドップラーシフトの方向及び大きさを推定し、そのドップラーシフトの推定結果に基づいて、セル１００Ａごとに、ＨＡＰＳ１０のリピーター子機のサービスリンク送信点又はサービスリンク受信点で補正する周波数の補正情報（周波数オフセット方向及び大きさ）を変更する。本実施形態によれば、端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトがセル１００Ａごとに異なる場合でも、複数のセル１００Ａにおけるドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制することができる。

なお、上記セル１００Ａごとのドップラーシフトの推定及び周波数補正は、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１との間のサービスリンクにおける下りリンク信号及び上りリンク信号のいずれか一方に適用してもよいし、又は、その両方に適用してもよい。また、上記補正で用いる周波数オフセット（方向及び大きさ）はセル１００Ａごとに１つずつ設定される。そのため、上記周波数オフセット（方向及び大きさ）は、例えばセル１００Ａの中心点を基準にして決定してもよい。

ここで、セル１００Ａの中心点の定義は、図１２（ａ）に示すようにリピーター子機の３Ｄセル形成アンテナ部（以下「アンテナ」ともいう。）１１１の指向性パターン１１１ａと地図情報とをもとにセル１００Ａの形状を推定し、その推定したセル１００Ａの形状における幾何学的な中心値１００Ｃであってもよい。

また、図１２（ｂ）に示すようにセル１００Ａの配下に存在する複数の端末装置（ユーザ）６１（１），６１（２）の現在位置情報の統計指標値（例えばＧＰＳ位置情報に基づいて算出したｘ，ｙ座標の中央値）に基づいて、セル１００Ａ内の複数の端末装置（ユーザ）６１（１），６１（２）の位置分布の中心値を推定し、その推定した複数の端末装置（ユーザ）の位置分布の中心値１００Ｃ’を基準にして、上記周波数オフセット（方向及び大きさ）を決定してもよい。

図１２（ａ）の例では、例えば、後述のリピーター親機（フィーダ局）７１等に設けられる推定部の内部に保持している地図情報、アンテナ指向性パターンデータ及びＨＡＰＳ１０のＧＰＳ情報を用いて、地上又は海上に形成されるセル１００Ａの形状を推定し、その推定したセル１００Ａの形状における幾何学的な中心値１００Ｃを算出し、その中心値１００Ｃを上記周波数オフセットの基準とする。

また、図１２（ｂ）の例では、例えば、地上にいる端末装置６１のＧＰＳ情報をサーバ８６へ報告させ、複数の端末装置６１（ユーザ）の位置分布からセル１００Ａの実効的な中心値１００Ｃ’を算出し、その実効的な中心値１００Ｃ’を上記周波数オフセットの基準とする。

上記周波数オフセットは、例えば図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、各セル１００Ａ内の各端末装置６１（ユーザ）からの上りリンクの参照信号など（例えば、図１４のＬＴＥの規格に準拠した上りリンク信号フォーマット４１０中におけるＰＲＡＣＨ，ＳＲＳ，ＤＭＲＳ）やＧＰＳ情報から計算したドップラーシフトの統計指標（例えば図１３（ｂ）中のＣＤＦ（累積分布関数）が５０％になるドップラーシフトの中央値）を元に決定してもよい。

上記周波数オフセットは、基地局９０からの下りリンク参照信号（例えば、図１５の下りリンク信号フォーマット４００中におけるＣＲＳ）やＧＰＳ情報から計算したドップラーシフトの統計指標（例えばドップラーシフトの中央値）を元に決定してもよい。

また、図１６に示すようにＨＡＰＳ１０が飛行するときの時刻と飛行ルートＦＲ（位置情報）とが対応付けられた飛行スケジュール（フライトプラン）情報が予め設定されている場合は、その飛行スケジュール情報に基づいて、上記ドップラーシフトの推定と、上記周波数の補正（例えば上記周波数オフセット（方向及び大きさ）決定）とを行ってもよい。ここで、上記ドップラーシフトの推定及び周波数補正（周波数オフセットの決定及び適用）は、飛行スケジュール情報と現在の時刻情報とに基づいて算出してもよい。また、飛行スケジュール情報に基づくドップラーシフトの推定及び周波数の補正の精度が低い場合は、前述の参照信号やＧＰＳ位置情報に基づくドップラーシフトの推定及び周波数の補正と組み合わせてもよい。例えば、前述の参照信号やＧＰＳ位置情報に基づく精度の高いドップラーシフトの推定及び周波数の補正を、ＧＰＳ情報の報告頻度増加などが問題にならない程度に比較的長い第一時間間隔で実行し、飛行スケジュール情報に基づくドップラーシフトの推定及び周波数の補正を第一時間間隔よりも短い第二時間間隔で実行して補完するようにしてもよい。また、飛行スケジュール情報に基づくドップラーシフトの推定及び周波数の補正は、移動通信網８０側のサーバ８６主導で行ってもよいし、ＨＡＰＳ１０内に飛行スケジュール情報を記憶しておきＨＡＰＳ１０の内部で自律的に行ってもよい。

また、他の実施形態では、複数のセル１００Ａに在圏する複数の端末装置６１それぞれについて、端末装置６１とＨＡＰＳ１０との間の無線通信におけるドップラーシフトを推定し、複数の端末装置６１（ユーザ）それぞれについて、ドップラーシフトの推定結果に基づいて端末装置６１とＨＡＰＳ１０との間の無線通信の周波数を補正している。本実施形態によれば、端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトがセル内の端末装置６１ごとに異なる場合でも、各端末装置６１におけるドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制することができる。

図１７（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、端末装置ごとに行う上りリンクのリソース割当制御及びドップラーシフト補正制御の一例を示す説明図である。
図１７（ａ）の例では、前述の基地局９０（図９参照）により、複数の端末装置６１（１），６１（２）からの上りリンクの送信信号９１２，９２２に関して、リソース割当停止によって適応的に周波数軸上で所定幅のガードキャリアｆ_Ｇを設けてキャリア間干渉を防ぐようにリソース割り当て制御を行う。ここで、ガードキャリアｆ_Ｇの幅は、ドップラーシフトｆ_ｄが発生しても各端末装置６１（１），６１（２）からの上りリンクの送信信号９１２，９２２が互いに重ならない程度に設定する。

また、図１７（ｂ）の例では、基地局９０により、ドップラーシフトｆ_ｄの方向に応じて適応的に複数の端末装置６１（１），６１（２）からの上りリンクの送信信号９１２，９２２周波数軸上で互いに重ならないようにリソース割り当て制御を行う。

なお、図１７（ａ）及び（ｂ）の例それぞれにおいて、例えば基地局９０により、端末装置６１（ユーザ）ごとに、ドップラーシフトｆ_ｄの推定結果に基づいてドップラーシフトとは逆方向に上りリンクの受信信号の周波数を補正してもよい。

ここで、個々の端末装置（ユーザ）のドップラーシフト推定方法として、各種方法を用いることができる。例えば、図１４の上りリンクフォーマットにおけるランダムアクセスチャネル（ＰＲＡＣＨ）、チャネル状態推定用信号（ＳＲＳ）及びデータ復調用の参照信号（ＤＭＲＳ）の少なくとも一つに基づいて、各端末装置（ユーザ）のドップラーシフトを推定してもよい。また、ＨＡＰＳ１０及び端末装置それぞれの位置情報又は速度情報に基づいて、各端末装置（ユーザ）のドップラーシフトを推定してもよい。また、各端末装置（ユーザ）のドップラーシフトの推定には、ＨＡＰＳ１０の飛行スケジュール（フライトプラン）情報を用いてもよい。

また、更に他の実施形態では、複数のセル１００Ａに在圏する複数の端末装置６１をグループ分けした複数の端末グループそれぞれについて、端末グループに含まれる端末装置６１とＨＡＰＳ１０との間の無線通信におけるドップラーシフトを推定し、複数の端末グループそれぞれについて、ドップラーシフトの推定結果に基づいて端末グループに含まれる端末装置６１とＨＡＰＳ１０との間の無線通信の周波数を補正している。本実施形態によれば、端末装置６１に対するＨＡＰＳ１０の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトが端末グループごとに異なる場合でも、各端末グループにおけるドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制することができる。

ここで、上記複数の端末グループは、例えば、ＨＡＰＳ１０が形成するセル１００Ａに在圏する複数の端末装置６１（ユーザ）を、端末装置６１のドップラーシフトの大きさ及び方向の少なくとも一つに応じてグルーピングして設定する。

また、上記ドップラーシフトの推定結果に基づく周波数の補正は、特定の周波数ブロックごとに行ってもよいし、端末グループを時間で分割して行ってもよい。

また、上記複数の端末グループについて、前述の図１７（ａ）及び（ｂ）に例示した上りリンクのリソース割当制御及びドップラーシフト補正制御を、端末グループごとに行ってもよい。

図１８（ａ）は、ＨＡＰＳ１０で形成する複数のセル１００Ａと端末グループにグルーピングされる複数の端末装置６１との位置関係の一例を示す説明図であり、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の複数の端末装置６１を時間軸上及び周波数軸上でグルーピングした端末グループ６２の一例を示す説明図である。
図１８（ａ）において、図中Ｆ方向に飛行しているＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０は、その下方の地点（全体セル中心）を中心にして、互いに隣接する４つのセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（４）を地上に向けて形成している。飛行方向Ｆに飛行しているＨＡＰＳ１０の無線中継局は、その飛行方向Ｆの下流側に位置するセル１００Ａ（１）内の端末装置６１（１）及びセル１００Ａ（３）内の端末装置６１（３）に近づいているので、ドップラー現象により、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１（１）及び６１（３）との間で送受信される信号の周波数は高周波数側にシフトする。一方、ＨＡＰＳ１０の無線中継局は、その飛行方向Ｆの上流側に位置するセル１００Ａ（２）内の端末装置６１（２−２）及び６１（２−３）から遠ざかっているので、ドップラー現象により、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１（２−２）及び６１（２−３）との間で送受信される信号の周波数が低周波数側にシフトする。また、ＨＡＰＳ１０の下方の全体セル中心近傍に位置するセル１００Ａ（２）内の端末装置６１（２−１）及びセル１００Ａ（４）内の端末装置６１（４）に対するＨＡＰＳ１０の相対移動速度はほぼゼロになるため、ドップラーシフトの絶対量は小さい。

図１８（ａ）に示す複数の端末装置は、例えば図１８（ｂ）に示すように、推定したドップラーシフトの量と方向が似通っている端末装置（ユーザ）同士を一つのグループにするようにグルーピングされる。図１８（ｂ）の例では、高周波数側へのドップラーシフトｆ_ｄが発生している端末装置６１（１）及び６１（３）は第一端末グループＧ１に分類されている。低周波数側へのドップラーシフトｆ_ｄが発生している端末装置６１（２−２）及び６１（２−３）は第二端末グループＧ２に分類されている。ドップラーシフトｆ_ｄが小さい端末装置６１（２−１）及び６１（４）が第三端末グループＧ３に分類されている。この第三端末グループＧ３のように、端末装置が在圏しているセルが違っていても、全体セルの中心寄りであればドップラーシフトｆ_ｄは小さいためグルーピング可能である。

第一端末グループＧ１の端末装置６１（１）及び６１（３）に対しては、前述の基地局９０（図９参照）により、前述のキャリア間干渉を防ぐためのリソースＲ（１）及びＲ（３）の割り当て制御を行う。また、第二端末グループＧ２の端末装置６１（１）及び６１（３）に対しては、基地局９０により、前述のキャリア間干渉を防ぐためのリソースＲ（１）及びＲ（３）の割り当て制御を行う。また、第三端末グループＧ３の端末装置６１（２−１）及び６１（４）に対しては、基地局９０により、前述のキャリア間干渉を防ぐためのリソースＲ（２−１）及びＲ（４）の割り当て制御を行う。

更に、本例では、ドップラーシフト発生している第一端末グループＧ１Ｈ及び第二端末グループＧ２それぞれについては、端末グループごとに、互いに異なる時間に、ドップラーシフトｆ_ｄの推定結果に基づいてドップラーシフトとは逆方向に周波数をオフセットするように補正している。この補正例のように、ドップラーシフトが大きく且つシフト方向が反対方向のもの同士を同じ時間に多重して個別に補正するよりも、端末グループごとに、互いに異なる別の時間に分けて、まとめて補正したほうが効率がよい。

図１９（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る通信システムのリピーター親機（フィーダ局）７１及びリピーター子機（ＨＡＰＳ１０の無線中継局）１５０における周波数変換の一例を示す説明図である。図１９では、ＨＡＰＳ１０の無線中継局としてのリピーター子機１５０が３つのセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（３）を形成する例を示しているが、リピーター子機１５０が形成するセルの数は２セルでもよいし、４セル以上であってもよい。

図１９において、地上のリピーター親機７１は、各セル１００Ａ（１）〜１００Ａ（３）の端末装置６１（１）〜６１（３）に送信される周波数ｆ_ＳＬの送信信号Ｓ１〜Ｓ３を基地局９０から受信すると、各信号がフィーダリンクで互いに干渉しないように、各信号の周波数を互いに異なる周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，ｆ_ＦＬ３に変換する。リピーター親機７１は、周波数変換後のフィーダリンクの周波数ｆ_ＦＬ１〜ｆ_ＦＬ３の送信信号Ｓ１’〜Ｓ３’をアンテナ７１ａからＨＡＰＳ１０に向けて送信する。ＨＡＰＳ１０のリピーター子機１５０は、フィーダリンクの周波数ｆ_ＦＬ１〜ｆ_ＦＬ３の送信信号Ｓ１’〜Ｓ３’を、フィード用アンテナ部１１３を介してリピーター親機７１から受信すると、各信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，ｆ_ＦＬ３を元の周波数ｆ_ＳＬに変換する。リピーター子機１５０は、周波数変換後のサービスリンクの周波数ｆ_ＳＬの送信信号Ｓ１〜Ｓ３を、３Ｄセル形成アンテナ部１１３からセル１００Ａ（１）〜１００Ａ（３）の端末装置６１（１）〜６１（３）に向けて送信する。

図２０は、本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の一例を示すブロック図である。図２１は、図２０のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャートである。図２０及び図２１の例は、ＨＡＰＳ１０の無線中継局としてのリピーター子機１５０がサービスリンクのドップラーシフトを推定し、そのドップラーシフトの推定結果に基づいて下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方の周波数を補正するドップラーシフト補正制御を行う例である。

図２０において、リピーター子機１５０は、下りリンク入力部１５１と、周波数変換部１５２と、下りリンク出力部１５３と、上りリンク入力部１５４と、周波数変換部１５５と、上りリンク出力部１５６と、各部を制御する制御部１５７とを備える。下りリンク入力部１５１、周波数変換部１５２及び下りリンク出力部１５３は、ＬＴＥに準拠した下りリンク信号を中継し、上りリンク入力部１５４、周波数変換部１５５及び上りリンク出力部１５６は、ＬＴＥに準拠した上りリンク信号を中継する。また、リピーター子機１５０は、サービスリンク側の下りリンク出力部における中継対象の下りリンク信号をモニターし、その下りリンク信号の周波数に基づいてフィーダリンクのドップラーシフトを推定する推定部として機能する下りリンクモニタリング部１５８を備える。下りリンク入力部１５１、下りリンク出力部１５３、上りリンク入力部１５４及び上りリンク出力部１５６はそれぞれ、所定周波数の中継対象信号を所定のレベルまで増幅するアンプ機能を有する。フィーダリンク側の下りリンク入力部１５１及び上りリンク出力部１５６は、フィード用アンテナ部に接続されている。サービスリンク側の下りリンク出力部１５３及び上りリンク入力部１５４は、ＨＡＰＳ１０で形成する複数のセルに対応可能なＤセル形成アンテナ部に接続されている。

リピーター親機７１は、下りリンク入力部７１１と、周波数変換部７１２と、下りリンク出力部７１３と、上りリンク入力部７１４と、周波数変換部７１５と、上りリンク出力部７１６と、各部を制御する制御部７１７とを備える。下りリンク入力部７１１、周波数変換部７１２及び下りリンク出力部７１３は、ＬＴＥに準拠した下りリンク信号を中継し、上りリンク入力部７１４、周波数変換部７１５及び上りリンク出力部７１６は、ＬＴＥに準拠した上りリンク信号を中継する。下りリンク入力部７１１、下りリンク出力部７１３、上りリンク入力部７１４及び上りリンク出力部１７６はそれぞれ、所定周波数の中継対象信号を所定のレベルまで増幅するアンプ機能を有する。フィーダリンク側の下りリンク出力部７１３及び上りリンク入力部７１４は、フィーダリンクアンテナ部に接続され、基地局側の下りリンク入力部７１１及び上りリンク出力部１７６は、基地局との通信するための通信インターフェース部に接続されている。

リピーター子機１５０の下りリンクモニタリング部１５８は、下りリンク出力部１５３における下りリンク信号を受信し、フィーダリンクのドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定し（図２１のＳ１０１）、その推定結果を制御部１５７に送る。ドップラーシフトの推定結果を受けた制御部１５７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定し、その周波数オフセットを含む補正情報を、リピーター親機７１に通知するように制御する（図２１のＳ１０２）。補正情報の周波数オフセットは、フィーダリンクで送受信される下りリンク信号及び上りリンク信号それぞれの周波数を、推定したドップラーシフトとは逆方向にシフトさせる補正を行うための情報である。リピーター子機１５０は、補正報情を、上りリンク信号としてフィーダリンク経由でリピーター親機７１へ通知してもよいし、専用の別回線(別リンク)を使用して通知してもよい。リピーター親機７１の制御部７１７は、リピーター子機１５０から受信した補正情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク出力部７１３を制御する（図２１のＳ１０３）。また、リピーター親機７１の制御部７１７は、リピーター子機１５０から受信した補正情報に基づいて、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように、上りリンク入力部７１４を制御する（図２１のＳ１０３）。

なお、図２０及び図２１において、上記周波数オフセットを含む補正情報をリピーター子機１５０からリピーター親機７１に通知せずに、リピーター子機１５０がフィーダリンクのドップラーシフトを補正してもよい。例えば、リピーター子機１５０の制御部１５７は、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク入力部１５１を制御してもよい。また、制御部１５７は、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように、上りリンク出力部１５６を制御してもよい。

また、図２０及び図２１において、上記周波数オフセットの決定は、リピーター子機１５０の下りリンクモニタリング部１５８ではなく、上記ドップラーシフトの補正を行うリピーター親機７１の下りリンク出力部７１３及び上りリンク入力部７１４並びにリピーター子機１５０の下りリンク入力部１５１及び上りリンク出力部１５６の少なくとも一つが行ってもよい。

また、図２０及び図２１において、上記周波数オフセットを用いた周波数補正は、制御部１５７，７１７を介さずに、リピーター親機７１の下りリンク出力部７１３及び上りリンク入力部７１４並びにリピーター子機１５０の下りリンク入力部１５１及び上りリンク出力部１５６の少なくとも一つが、下りリンクモニタリング部１５８からの推定結果に基づいて行ってもよい。

また、図２０及び図２１において、上記フィーダリンクにおけるドップラーシフトの推定は、リピーター子機１５０ではなく、リピーター親機７１で行ってもよい。例えば、リピーター親機７１に、上りリンク入力部７１４における上りリンク信号を受信してドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する上りリンクモニタリング部を設け、その上りリンクモニタリング部でのドップラーシフトの推定結果に基づいてフィーダリンクのドップラーシフトを補正してもよい。

図２２は、本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の他の例を示すブロック図である。図２３は、図２２のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャートである。図２２及び図２３の例は、リピーター子機１５０を搭載するＨＡＰＳ１０、端末装置６１及び地上のリピーター親機７１それぞれの現在位置情報としてのＧＰＳ情報に基づいて、サービスリンク及びフィーダリンクのドップラーシフトを推定し、リピーター子機１５０及び地上のリピーター親機７１がドップラーシフトの推定結果に基づいて下りリンク信号及び上りリンク信号の周波数を補正するドップラーシフト補正制御を行う例である。なお、図２２において、前述の図２０と共通する部分については説明を省略する。

図２２において、リピーター親機７１及びリピーター子機１５０はそれぞれ、下りリンクモニタリング部１５８を備える代わりに、サーバ等からＧＰＳ情報を取得する情報取得部７１８，１５９を備える。情報取得部７１８，１５９は、例えば、制御用通信端末装置（例えば、ＬＴＥ、５Ｇの規格に準拠した移動通信端末モジュール）を用いて構成してもよい。サーバは、コアネットワーク等を介して端末装置６１、ＨＡＰＳ１０及びリピーター親機７１それぞれから報告されたＧＰＳ情報を収集する。

例えば、リピーター子機１５０の情報取得部１５９は、サーバ等からＧＰＳ情報を取得して制御部１５７に送る。制御部１５７は、情報取得部１５９から受けたＧＰＳ情報に基づいて、端末装置６１（ユーザ）の分布を推定したり、サービスリンクにおけるセルごと、端末装置ごと又は端末グループごとのドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定したりする（図２３のＳ２０１、Ｓ２０２）。制御部１５７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２３のＳ２０３）。更に、制御部１５７は、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＳＬに上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク出力部１５３を制御する（図２３のＳ２０４）。また、制御部１５７は、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＳＬに上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク入力部１５４を制御する（図２３のＳ２０４）。

また例えば、リピーター子機１５０は、サーバ等から取得したＧＰＳ情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号のドップラーシフト補正を行ってもよい。リピーター子機１５０の制御部１５７は、情報取得部１５９から受けたＧＰＳ情報に基づいて、フィーダリンクにおけるドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する（図２３のＳ２０１、Ｓ２０２）。制御部１５７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２３のＳ２０３）。更に、制御部１５７は、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク入力部１５１を制御する（図２３のＳ２０４）。また、制御部１５７は、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク出力部１５６を制御する（図２３のＳ２０４）。

また例えば、リピーター親機７１は、サーバ等から取得したＧＰＳ情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号のドップラーシフト補正を行ってもよい。リピーター親機７１の情報取得部７１８は、サーバ等からＧＰＳ情報を取得して制御部７１７に送る。制御部７１７は、情報取得部７１８から受けたＧＰＳ情報に基づいて、フィーダリンクにおけるドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する（図２３のＳ２０１、Ｓ２０２）。制御部７１７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２３のＳ２０３）。更に、制御部７１７は、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク出力部７１３を制御する（図２３のＳ２０４）。また、制御部７１７は、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク入力部７１４を制御する（図２３のＳ２０４）。上記情報の取得は、例えばイーサネット（登録商標）などの専用のリンク回線（通信インターフェース）を介して行われる。

また、図２２及び図２３において、上記周波数オフセットは、リピーター子機１５０やリピーター親機７１で決定せずに、上記サーバで決定してリピーター子機１５０やリピーター親機７１に通知してもよい。

図２４は、本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信システムの構成の更に他の例を示すブロック図である。図２５は、図２４のドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャートである。図２４及び図２５の例は、リピーター子機１５０を搭載するＨＡＰＳ１０の飛行スケジュール（フライトプラン）情報と現在時刻情報とに基づいて、フィーダリンク及びサービスリンクのドップラーシフトを推定し、そのドップラーシフトの推定結果に基づいて下りリンク信号及び上りリンク信号の周波数を補正するドップラーシフト補正制御を行う例である。なお、図２４において、前述の図１９及び図２２と共通する部分については説明を省略する。

図２４において、リピーター親機７１及びリピーター子機１５０はそれぞれ、下りリンクモニタリング部１５８を備える代わりに、サーバ等からＨＡＰＳ１０の飛行スケジュール（フライトプラン）情報を取得する情報取得部７１８，１５９を備える。サーバは、コアネットワーク等を介してＨＡＰＳ１０の飛行スケジュール（フライトプラン）情報を収集する。

例えば、リピーター子機１５０の情報取得部１５９は、サーバなどから飛行スケジュール情報を取得して制御部１５７に送る。制御部１５７は、その飛行スケジュール情報と現在時刻情報とに基づいて、サービスリンクにおけるセルごと、端末装置ごと又は端末グループごとのドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する（図２５のＳ３０１、Ｓ３０２）。制御部１５７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２５のＳ３０３）。更に、制御部１５７は、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＳＬに上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク出力部１５３を制御する（図２５のＳ３０４）。また、制御部１５７は、セルごとに、端末装置ごとに又は端末グループごとに、サービスリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＳＬに上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク入力部１５４を制御する（図２５のＳ３０４）。

また例えば、リピーター子機１５０は、サーバ等から取得した飛行スケジュール情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号のドップラーシフト補正を行ってもよい。リピーター子機１５０の制御部１５７は、情報取得部１５９から受けた飛行スケジュール情報と現在時刻情報とに基づいて、フィーダリンクにおけるドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する（図２３のＳ２０１、Ｓ２０２）。制御部１５７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２３のＳ２０３）。更に、制御部１５７は、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク入力部１５１を制御する（図２３のＳ２０４）。また、制御部１５７は、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク出力部１５６を制御する（図２３のＳ２０４）。

また例えば、リピーター親機７１は、サーバ等から取得した飛行スケジュール情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号のドップラーシフト補正を行ってもよい。リピーター親機７１の情報取得部７１８は、サーバ等から飛行スケジュール情報を取得して制御部７１７に送る。制御部７１７は、情報取得部７１８から受けた飛行スケジュール情報と現在時刻情報とに基づいて、フィーダリンクにおけるドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）を推定する（図２３のＳ２０１、Ｓ２０２）。制御部７１７は、ドップラーシフトの推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定する（図２３のＳ２０３）。更に、制御部７１７は、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように下りリンク出力部７１３を制御する（図２３のＳ２０４）。また、制御部７１７は、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数ｆ_ＦＬ１，ｆ_ＦＬ２，・・・に上記周波数オフセットを適用して補正するように上りリンク入力部７１４を制御する（図２３のＳ２０４）。

なお、図２４及び図２５において、上記周波数オフセットは、リピーター子機１５０やリピーター親機７１で決定せずに、上記サーバで決定してリピーター子機１５０やリピーター親機７１に通知してもよい。

また、上記図１９〜図２４の例では、上空のＨＡＰＳに設けた無線中継局がリピーター子機である場合について説明したが、上空のＨＡＰＳに設けた無線中継局は移動通信システムの基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）であってもよい。

なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ１０，２０等の通信中継装置の無線中継局、フィーダ局、遠隔制御装置、サーバ、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、サーバ、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）において前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、前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前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
６１ 端末装置
６１（１）〜６１（４） 端末装置
６１（２−１）〜６１（２−３） 端末装置
６２Ｈ，６２Ｌ，６２Ｍ 端末グループ
６５ 飛行機
７０ フィーダ局
７１ リピーター親機
７２ 人工衛星
８０ 移動通信網
８０ａ コアネットワーク
８５ 遠隔制御装置（管制センター）
８６ サーバ
９０ 基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
１００，２００、３００ ビーム
１００Ａ，１００Ａ（１）〜１００Ａ（４） セル
１１０、２１０ 無線中継局
１１１ ３Ｄセル形成アンテナ部
１１３ フィード用アンテナ部
１５０ リピーター子機（無線中継局）
１５１ 下りリンク入力部
１５２ 周波数変換部
１５３ 下りリンク出力部
１５４ 上りリンク入力部
１５５ 周波数変換部
１５６ 上りリンク出力部
１５７ 制御部
１５８ 下りリンクモニタリング部
１５９ 情報取得部
７１１ 下りリンク入力部
７１２ 周波数変換部
７１３ 下りリンク出力部
７１４ 上りリンク入力部
７１５ 周波数変換部
７１６ 上りリンク出力部
７１７ 制御部
７１８ 情報取得部

Claims (29)

1. 上空を飛行して移動可能に設けられ所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する移動型の無線中継装置を備えた通信システムであって、
   前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び前記無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
   前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記少なくとも一方の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備え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、
   前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを決定し、
   前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に適用す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、
   前記補正部は、前記フィーダ局又は前記無線中継装置に設けられていることを特徴とする通信システム。
4. 請求項１の通信システムにおいて、
   前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、
   前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に前記セルごとに適用することを特徴とする通信システム。
5. 請求項１の通信システムにおいて、
   前記推定部又は前記補正部は、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを決定し、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、
   前記補正部は、前記フィーダリンクの周波数オフセットを前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に適用し、前記サービスリンクの周波数オフセットを前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に前記セルごとに適用することを特徴とする通信システム。
6. 請求項４又は５の通信システムにおいて、
   前記補正部は、前記無線中継装置に設けられていることを特徴とする通信システム。
7. 請求項１、４、５又は６の通信システムにおいて、
   前記推定部は、地図情報と前記無線中継装置のアンテナ指向性パターンとに基づいて前記セルの形状を推定し、その推定したセルの形状における幾何学的な中心点について、前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、
   前記補正部は、前記セルの幾何学的な中心点について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正することを特徴とする通信システム。
8. 請求項１、４、５又は６の通信システムにおいて、
   前記推定部は、前記セルにおける複数の端末装置の現在位置情報の統計指標値に基づいて前記セル内の前記複数の端末装置の位置分布の中心値を推定し、その推定した前記複数の端末装置の位置分布の中心値について、前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、
   前記補正部は、前記セルにおける複数の端末装置の位置分布の中心値について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正することを特徴とする通信システム。
9. 請求項１、４、５又は６の通信システムにおいて、
   前記推定部は、前記セルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置から送信される上りリンク参照信号に基づいて前記サービスリンクのドップラーシフトを推定し、
   前記補正部は、前記複数の端末装置について推定した前記サービスリンクのドップラーシフトの推定値の統計指標値に基づいて、前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクにおける無線通信の周波数を補正す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、
    前記推定部は、前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報に基づいて、前記サービスリンクの無線通信及び前記フィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定することを特徴とする通信システム。
11. 所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置を備えた通信システムであって、
    前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
    前記複数の端末装置それぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備えることを特徴とする通信システム。
12. 請求項１１の通信システムにおいて、
    前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記複数の端末装置の間で上りリンクの信号が前記ドップラーシフトによって周波数軸上で互いに干渉しないように前記端末装置の上りリンクのリソース割り当てを決定することを特徴とする通信システム。
13. 請求項１１又は１２の通信システムにおいて、
    前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの上りリンクの無線通信に対する周波数オフセットを決定し、
    前記補正部は、前記周波数オフセットを前記上りリンクの無線通信の周波数に適用することを特徴とする通信システム。
14. 所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置を備えた通信システムであって、
    前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定し、各端末装置のドップラーシフトのシフト量及びシフト方向に応じて前記複数の端末装置をグループ分けを行う推定部と、
    前記複数の端末グループそれぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末グループに含まれる端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信の周波数を前記端末グループごとに補正する補正部と、を備えることを特徴とする通信システム。
15. 請求項１４の通信システムにおいて、
    前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記複数の端末グループの間で上りリンクの信号が前記ドップラーシフトによって周波数軸上で互いに干渉しないように前記端末グループの端末装置からの上りリンクのリソース割り当てを決定することを特徴とする通信システム。
16. 請求項１４又は１５の通信システムにおいて、
    前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記端末グループの端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの上りリンクの無線通信に対する周波数オフセットを決定し、
    前記補正部は、前記端末グループごとに前記周波数オフセットを前記上りリンクの無線通信の周波数に適用することを特徴とする通信システム。
17. 請求項１１乃至１６のいずれかの通信システムにおいて、
    前記推定部は、前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報に基づいて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定することを特徴とする通信システム。
18. 請求項１１乃至１７のいずれかの通信システムにおいて、
    前記補正部は、前記無線中継装置に設けられていることを特徴とする通信システム。
19. 請求項１１乃至１８のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継装置は、上空を飛行して移動可能に設けられた無線中継装置であ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、
    前記推定部は、前記無線中継装置を介して前記端末装置に送信される下りリンク信号の周波数シフトの情報、前記セルを形成するアンテナ指向性の情報、前記端末装置から前記無線中継装置を介して送信される上りリンク信号の周波数シフトの情報、前記無線中継装置の位置情報の時間変化の情報及び前記無線中継装置について予め決められた飛行スケジュール情報の少なくとも一つの情報に基づいて、前記ドップラーシフトを推定することを特徴とする通信システム。
21. 請求項１乃至２０のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継装置は、移動通信の基地局に接続された地上又は海上のリピーター親機と無線通信するリピーター子機であり、
    前記推定部及び前記補正部はそれぞれ、前記地上又は海上のリピーター親機、前記リピーター子機又は前記基地局に設けられていることを特徴とする通信システム。
22. 請求項１乃至２１のいずれかの通信システムにおいて、
    前記無線中継装置は、移動体通信の基地局であり、
    前記推定部及び前記補正部はそれぞれ、前記基地局に設けられていることを特徴とする通信システム。
23. 上空を飛行して移動可能に設けられ所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する移動型の無線中継装置であって、
    前記セルに在圏する端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信及び前記無線中継装置と地上又は海上のフィーダ局との間のフィーダリンクの無線通信の少なくとも一方の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
    前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記少なくとも一方の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備えることを特徴とする無線中継装置。
24. 請求項２３の無線中継装置において、
    前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを決定し、
    前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に適用することを特徴とする無線中継装置。
25. 請求項２３の無線中継装置において、
    前記推定部又は前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、
    前記補正部は、前記周波数オフセットを前記無線通信の周波数に前記セルごとに適用することを特徴とする無線中継装置。
26. 請求項２３の無線中継装置において、
    前記推定部又は前記補正部は、前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを決定し、前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信に対する周波数オフセットを前記セルごとに決定し、
    前記補正部は、前記フィーダリンクの周波数オフセットを前記フィーダリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に適用し、前記サービスリンクの周波数オフセットを前記サービスリンクの上りリンク及び下りリンクの少なくとも一方の無線通信の周波数に前記セルごとに適用することを特徴とする無線中継装置。
27. 所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置であって、
    前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
    前記複数の端末装置それぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信の周波数を補正する補正部と、を備えることを特徴とする無線中継装置。
28. 所定高度のアンテナから地上又は海上に向けて複数のセルを形成して前記複数のセルそれぞれに在圏する端末装置と無線通信する無線中継装置であって、
    前記複数のセルに在圏する複数の端末装置それぞれについて、前記端末装置と前記無線中継装置との間のサービスリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定し、各端末装置のドップラーシフトのシフト量及びシフト方向に応じて前記複数の端末装置をグループ分けを行う推定部と、
    前記複数の端末グループそれぞれについて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて前記端末グループに含まれる端末装置と前記無線中継装置との間の無線通信の周波数を前記端末グループごとに補正する補正部と、を備えることを特徴とする無線中継装置。
29. 請求項２３乃至２８のいずれかの無線中継装置において、
    上空を飛行して移動可能な飛行体に設けられていることを特徴とする無線中継装置。