JP2020036100A - Ｈａｐｓにおけるフィーダリンク通信方式 - Google Patents

Abstract

【課題】空中浮揚型の通信中継装置のフィーダリンクの周波数利用効率の向上を図ることができる通信システムを提供する。【解決手段】通信システムは、端末装置６１と無線通信する空中滞在型の通信中継装置ＨＡＰＳ２０を有し、空中滞在型の通信中継装置との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する空間分割多重通信を行う複数のゲートウェイ局７０を備える。複数のゲートウェイ局はそれぞれ、空中滞在型の通信中継装置を追尾するようにフィーダリンク用アンテナ７１を制御するアンテナ制御部を備える。【選択図】図９

Description

本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の空中浮揚型の無線中継装置におけるフィーダリンクの通信方式に関するものである。

従来、空中に浮揚して滞在可能な高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）等の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この空中浮揚型の通信中継装置における通信回線は、その通信中継装置と移動通信網側のゲートウェイ（ＧＷ）局との間のフィーダリンクと、通信中継装置と端末装置との間のサービスリンクとで構成される。

米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書

上記空中浮揚型の通信中継装置のサービスリンクの通信容量はその中継周波数であるフィーダリンクの通信容量で決まることから、フィーダリンクの周波数有効効率の向上が課題になっている。

本発明の一態様に係るシステムは、端末装置と無線通信する空中滞在型の通信中継装置を有するシステムであって、前記空中滞在型の通信中継装置との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局を備える。

前記システムにおいて、前記複数のゲートウェイ局はそれぞれ、前記空中滞在型の通信中継装置を追尾するようにフィーダリンク用アンテナを制御するアンテナ制御部を備えてもよい。

前記システムにおいて、前記空中滞在型の通信中継装置は、前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数の指向性ビームを有するフィーダリンク用アンテナと、前記複数のビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように前記フィーダリンク用アンテナを制御するアンテナ制御部と、を備えてもよい。
前記フィーダリンク用アンテナは、互いに異なる方向に指向性ビームを有する複数のフィーダリンク用アンテナであり、前記アンテナ制御部は、前記複数のフィーダリンク用アンテナの指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれを機械的に制御してもよい。
前記フィーダリンク用アンテナは、鉛直方向の仮想軸を中心とした任意の外方向に向けて前記複数の指向性ビームを形成可能なアレイアンテナであり、前記アンテナ制御部は、前記複数の指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、前記アレイアンテナの複数のアンテナ素子に対する送受信信号の振幅及び位相を制御することを特徴とするシステム。
前記システムにおいて、前記フィーダリンク用アンテナは、互いに異なる方向を中心とした所定の角度範囲に指向性ビームを形成可能な複数のアレイアンテナであり、前記アンテナ制御部は、前記複数のアレイアンテナの指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、各アレイアンテナの複数のアンテナ素子に対する送受信信号の振幅及び位相の制御と前記複数のアレイアンテナの切替制御とを選択的に行ってもよい。

前記システムにおいて、前記空中滞在型の通信中継装置は、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部を備えてもよい。
前記システムにおいて、前記複数のゲートウェイ局は互いに送信タイミングに関して時間同期制御され、前記干渉抑圧部は、前記複数のゲートウェイ局それぞれについて、前記ゲートウェイ局から送信した送信信号が他のゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信されて干渉する干渉信号を抑圧するためのウェイトを計算し、前記複数のゲートウェイ局それぞれについて、前記ゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信した受信信号から、他のゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信した受信信号に前記他のゲートウェイ局に対応する前記ウェイトを掛けて減算してもよい。
前記システムにおいて、前記複数のゲートウェイ局はそれぞれパイロット信号を送信し、前記干渉抑圧部は、前記複数のゲートウェイ局それぞれから受信した前記パイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれと前記通信中継装置のフィーダリンク用アンテナとの間の複数の経路差を計算して伝搬路応答を推定し、前記複数の伝搬路応答に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算してもよい。
前記システムにおいて、前記干渉抑圧部は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数又はその周辺の周波数において、前記複数の伝搬路応答を推定して前記複数のウェイトを計算してもよい。
前記システムにおいて、前記複数のパイロット信号は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の両隣に位置するガードバンドに位置してもよく、又は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数又はその周辺の周波数に位置してもよい。
前記システムにおいて、前記複数のパイロット信号は互いに異なる周波数で送信されてもよい。
前記システムにおいて、前記複数のゲートウェイ局のそれぞれからパイロット信号が送信されてもよい。
前記システムにおいて、前記複数のウェイトはそれぞれ、前記伝搬路応答の行列を用いたＺＦ（Zero-Forcing）法又はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法により計算してもよい。

本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置のフィーダリンクの周波数利用効率の向上を図ることができる。

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。 実施形態に係るＨＡＰＳのセル構成の一例を示す説明図。 （ａ）は実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図。（ｂ）はＨＡＰＳの複数のフィーダリンク用アンテナと複数のＧＷ局との関係を上方から見た説明図。 実施形態に係る複数のＧＷ局のＧＷアンテナがＨＡＰＳを追尾する様子の一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの複数のＦＬアンテナの指向性ビームの一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の他の例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の更に他の例を示す説明図。 複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉の一例の説明図。 図１７は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラの一例を示す説明図。 ＨＡＰＳに搭載した干渉キャンセラ部２２０の概略構成の一例を示す説明図。 ＺＦ法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラの一例を示す説明図。 実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるフィーダリンクの送信信号帯域の一例を示す説明図。 実施形態に係る互いに異なるパイロット周波数でウェイトを求めたときの干渉低減効果を評価した計算機シミュレーションの結果の一例を示すグラフ。 ＨＡＰＳの機体を回転した場合のフィーダリンクの送信信号帯域全体のＳＩＮＲ特性の計算機シミュレーションの結果の一例を示すグラフ。 複数のＧＷ局がそれぞれ一つのパイロット信号を送信する場合のパイロット周波数の一例を示す説明図。 （ａ）は、ＧＷ局がそれぞれ一つのパイロット信号を送信する場合のパイロット周波数の他の例を示す説明図。（ｂ）は、フィーダリンクの送信信号とパイロット信号との間の電力差及び帯域差との関係の一例を示す説明図。

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、中継通信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、地上（又は海や湖などの水上）の高度が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の中継通信局はそれぞれ、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の中継通信局はそれぞれ、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ゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）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中継局としてのフィーダ局（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の中継通信局はそれぞれ、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）や中継通信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）や中継通信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）や中継通信局での処理は、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管理装置（「遠隔制御装置」ともいう。）８５によって制御できるようにしてもよい。管理装置８５は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、管理装置８５からの制御情報を受信したり管理装置８５に監視情報などの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、管理装置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）や中継通信局での処理に関する情報、ＨＡＰＳ１０，２０の状態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監視情報を、管理装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、ＨＡＰＳの目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ１０，２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ１０，２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。

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の中継通信局が、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中継通信局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、中継通信局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、例えば所定の目標飛行ルートに基づいて円形状に旋回飛行を行ったり「Ｄ」の字飛行を行ったり「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、中継通信局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、中継通信局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の中継通信局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。
図５の中継通信局１１０，２１０はリピータータイプの中継通信局の例である。中継通信局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、中継通信局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（中継通信局）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（中継通信局）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に設けた管理装置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の中継通信局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。
図７の中継通信局１１０，２１０は基地局タイプの中継通信局の例である。
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の中継通信局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、中継通信局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の中継通信局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。
図８の中継通信局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中継通信局の例である。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の中継通信局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の中継通信局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に設けた管理装置８５、又は、管理装置としての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。

中継通信局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、中継通信局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。

なお、以下の実施形態では、端末装置６１と無線通信する通信中継装置が、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０のいずれの一方の場合について図示して説明するが、通信中継装置はＨＡＰＳ１０，２０のいずれであってもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ１０，２０以外の他の空中浮揚型の通信中継装置にも同様に適用できる。

また、ＨＡＰＳ１０，２０とフィーダ局としてのゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」と略す。）７０を介した基地局９０との間のリンクを「フィーダリンク」といい、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、ＨＡＰＳ１０，２０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ１０，２０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１からＨＡＰＳ１０，２０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」ともいう。

図９は実施形態に係るＨＡＰＳ２０のセル構成の一例を示す説明図である。図９において、通信中継装置は無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であるが、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０あってもよい。また、図示の例において、ＨＡＰＳ２０の高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ２０が複数のセル２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（７）を形成し、その複数セル（７セル）構成のセル２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（７）のフットプリント２００Ｆ（１）〜２００Ｆ（７）からなるサービスエリア２０Ａの直径は１００〜２００ｋｍであるが、これらに限定されるものではない。

図９において、成層圏に位置するＨＡＰＳ２０を用いた地上（又は水上）の端末装置６１と直接通信する通信サービスは、サービスエリアの拡大、災害時の通信手段として非常に魅力的である。ＨＡＰＳ２０の通信回線はＧＷ局７０とＨＡＰＳ２０との間を結ぶフィーダリンクＦＬと、ＨＡＰＳ２０と端末装置６１との間を結ぶサービスリンクＳＬから成る。サービスリンクの通信容量はその中継周波数であるフィーダリンクの通信容量で決まることから、フィーダリンクの周波数利用効率を高める必要がある。特に図９に示すようにサービスリンクが多セル構成になった場合はフィーダリンクの通信容量が不足しやすくなるため、フィーダリンクの周波数有効利用技術が不可欠である。.しかしながら、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０を一対一で構成した場合、フィーダリンクの周波数利用効率を高めることが難しい。

そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のＧＷ局を備え、一つのＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間において空間分割多重通信を行う複数ゲートウェイシステム（以下「複数ＧＷシステム」ともいう。）を構築している。この複数ＧＷシステムでは、複数のフィーダリンク間の干渉を除去することにより、設置するＧＷ局の数の分だけ周波数利用効率を向上できる。

なお、以下の実施形態では、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間の空間分割多重通信をフィーダリンクのフォワードリンクのみで行う場合について説明するが、当該空間分割多重通信は、フィーダリンクのリバースリンクのみで行ってもよいし、フォワードリンクとリバースリンクの両方で行うようにしてもよい。

図１０（ａ）は実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図であり、図１０（ｂ）はＨＡＰＳ２０の複数のフィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）２１１（１）〜２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）〜７０（３）との関係を上方から見た説明図である。図示の例では、ＦＬアンテナの数（Ｎ）及びＧＷ局の数（Ｎ）はそれぞれ同数（図示の例では３）であり、同数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）及びＧＷ局７０（１）〜７０（３）を互いに１対１で対応させて設けている。また、ＦＬアンテナ２１１及びＧＷ局７０の組数は２組でもよいし、４組以上であってもよい。また、図示の例では複数のＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０からの距離及びＧＷ局間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方は互いに異ならせてもよい。各ＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（「ＨＡＰＳ局アンテナ」ともいう。）の受信する複素振幅が無相関となるように配置する。また、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）のフィーダリンク用アンテナ（以下「ＧＷアンテナ」という。）７１（１）〜７１（３）は互いに直交する垂直偏波（Ｖ）及び水平偏波（Ｈ）の２偏波で送受信可能である。また、図示の例ではＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）は、ＨＡＰＳ２０の中心からの距離及びＦＬアンテナ間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。例えば、当該距離及び当該間隔はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。

また、図１１に示すように、複数のＧＷ局７０（１）〜７０（３）はそれぞれ、空中で移動するＨＡＰＳ２０を追尾するようにＧＷアンテナ７１（１）〜７１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。図中の破線のＨＡＰＳ２０’は移動前の位置を示し、図中の実線のＨＡＰＳ２０は移動後の位置を示している。ＧＷアンテナ７１（１）〜７１（３）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１）〜７１（３）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。

また、図１２に示すように、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）はそれぞれ、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）に対応するアンテナ指向性ビーム（以下「指向性ビーム」又は「ビーム」という。）２１２（１）〜２１２（３）を有し、ＨＡＰＳ２０は、複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）〜７０（３）の方向に向くようにＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）はそれぞれ、例えば、自身に最も対向しているＧＷ局７０の方向を向き、その他のＧＷ局には干渉を与えないように、すなわち、主ビームの利得と反対方向の利得の比（Ｆ／Ｂ）が十分に大きくなるように形成される。これにより、ＨＡＰＳ２０が移動したり回転したりした場合もで、そのＨＡＰＳ２０の移動及び回転によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。

ＨＡＰＳ２０のアンテナ制御部による複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）の制御方式としては、ジンバル方式、電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）、電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）など、各種の方式を用いることができる。

例えば、図１３のジンバル方式では、ＨＡＰＳ２０の上下方向の軸（ヨーイング軸、Ｚ軸）を中心とした回転（旋回）に応じて、その軸を中心として複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の全体を機械的に回転駆動制御可能である。例えば、図１３において、ＨＡＳＰ２０が左回転方向Ｒｂに約４５度回転すると、その回転方向とは逆の右回転方向Ｒａに複数のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の全体を機械的に回転駆動させる。

各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の角度調整の回転駆動制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の受信レベルの値を参照して各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。例えば、各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）を小刻みに回転させ、各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の回転駆動制御を行う。ここで、各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へのＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。各また、ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向に指向性ビームが向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）を回転駆動制御してもよい。

なお、図１３では各ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の水平方向の角度調整について示しているが、垂直方向についても同様に角度調整を行ってもよい。

上記ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の回転駆動制御により、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）〜７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

また、図１４の電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１３ａを円周形状に沿って配置したサーキュラーアレイアンテナ２１３を備える。そして、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数のアンテナ素子２１３ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御する。例えば、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢の情報は、ＨＡＰＳ２０に組み込んだＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムと慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とを組み合わせたＧＮＳＳ慣性航法システム（ＧＮＳＳ／ＩＮＳ）の出力に基づいて取得してもよい。

上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの受信レベルの値を参照し、各ＧＷ局に対応する位置で最大の受信レベルとなる指向性ビームを形成するように、各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行ってもよい。例えば、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの位相を小刻みに変化させ、受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度方向にビームが形成されるように各各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行う。また、サーキュラーアレイアンテナ２１３から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成してもよい。

なお、図１４では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。

上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御により、複数のＧＷ局７０（１）〜７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）を形成する。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）〜７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

図１５の電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１４ａを平面状に２次元配置した複数の平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）を備える。そして、ＧＮＳＳ／ＩＮＳなどによって取得されたＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数の平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の複数のアンテナ素子２１４ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御するビームフォーミング制御を行う。

上記平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の受信レベルの値を参照し、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）が最大の受信レベルとなるようにアンテナ切り替えとビームフォーミングの制御を行ってもよい。例えば、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）を小刻みに回転させ、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各の回転駆動制御を行う。ここで、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに、平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の切り替えを行うとともに、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へビームを形成するビームフォーミングを行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。また、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、各平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）が最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成するようにアンテナ切り替えとビームフォーミングを行ってもよい。

なお、図１５では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。

上記上記平面アレイアンテナ２１４（１）〜２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御により、複数のＧＷ局７０（１）〜７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）を形成する。ここで、例えば、平面アレイアンテナ２１４（１）の平面に垂直な法線方向に対して指向性ビーム２１２（１）が傾いている角度（図中のθ）が予め設定した所定角度θｔｈ度よりも大きくなったときに、ＧＷ局７０（１）に対応するＦＬアンテナを平面アレイアンテナ２１４（２）に切り替える。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）〜２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）〜７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

上記構成の複数ＧＷシステムではＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉が大きくなるおそれがある。例えば、図１６に示すように、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号（所望信号）Ｓ１がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で受信されているときに、他のＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された信号が干渉信号Ｉ２，Ｉ３としてＦＬアンテナ２１１（１）で受信される。そのため、フィーダリンクのＳＩＮＲ特性が悪化するおそれがある。

そこで、本実施形態では、以下に示すように見通し環境（ＬＯＳ：Line-Of-Sight）対応のＭＩＭＯ干渉キャンセラをＧＷ局間（フィーダリンク間）に適用し、ＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉を低減することにより、フィーダリンクのＳＩＮＲ特性を向上させている。

図１７は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラの一例を示す説明図である。図１８は、ＨＡＰＳ２０に搭載した干渉キャンセラ部２２０の概略構成の一例を示す説明図である。
ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）は、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号Ｓ１（Ｙ１１）と、ＧＷ局７０（２）から送信された干渉信号Ｉ２（Ｙ１２）と、ＧＷ局７０（３）から送信された干渉信号Ｉ３（Ｙ１３）とを受信する。その受信信号ＡＮ１は、次式（１）で表される。

ＨＡＰＳ２０の干渉キャンセラ部２２０では、次式（２）に示すように他のＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）で受信された信号Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ対応するウェイトＷ２，Ｗ３を掛け、減算することにより、上記干渉信号Ｉ２，Ｉ３をキャンセルした希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力することができる。ＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された希望信号Ｓ２（Ｙ２２）及びＳ３（Ｙ３３）についても同様に他のＧＷ局からの干渉信号をキャンセルすることができる。

図１９は、ＺＦ（Zero-Forcing）法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラの一例を示す説明図である。例えばＧＷ局７０（１）から送信された信号は、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で希望信号Ｓ１（Ｙ１１）として受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ１（Ｙ１２），Ｉ１’（Ｙ１３）としてＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）に受信されル。更に、ＧＷ局７０（２）から送信された信号は、干渉信号Ｉ２（Ｙ２１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ２’（Ｙ２３）としてＦＬアンテナ２１１（３）に受信される。更に、ＧＷ局７０（３）から送信された信号は、干渉信号Ｉ３（Ｙ３１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ３’（Ｙ３２）としてＦＬアンテナ２１１（２）に受信される。図１９のＭＩＭＯ干渉キャンセラでは、これらの干渉信号Ｉ１，Ｉ１’，Ｉ２’及びＩ３’を考慮し、例えば次式（３）に示すように希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力する。これにより、ＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉抑制の精度を高めることができる。

上記ＭＩＭＯ干渉キャンセラに用いるウェイトＷを計算するには、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）〜２１１（３）との間の伝搬路応答Ｈを把握する必要がある。特に、本実施形態の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）に対してＨＡＰＳ２０の機体が相対的に動くため、その動きに応じて伝搬路応答も変化する。

そこで、本実施形態では、伝搬路応答を把握するため、各ＧＷ局７０（１）〜７０（３）からパイロット信号を送信している。パイロット信号の周波数帯域は狭帯域であり、各パイロット信号は送信周波数が互いに異なる（直交している）。ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１０では、各ＧＷ局７０（１）〜７０（３）から受信したパイロット信号に基づいて、フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆｃの伝搬路応答を推定し、ウェイトＷを導出する。

上記ウェイトＷを求める周波数とフィーダリンクの送信信号帯域との差が大きくなるほど、干渉キャンセル量は減少する。例えば、前述の図１０の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）を１２０°毎に３台設置し、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１０のＦＬアンテ２１１（１）〜２１１（３）を半径Δｄの円周上に１２０°毎に３つ設置している。ＨＡＰＳ２０の機体は一般に成層圏を回転しながら飛行することから、例えば前述の図１４に示すように中継通信局２１０のＦＬアンテ２１１（１）〜２１１（３）は対向するＧＷ局７０（１）〜７０（３）に主ビームが向くようにビーム制御する。ここで、ＨＡＰＳ２０の機体の回転角度Φを、各ＧＷ局方向を０°とした相対回転角度としている。ＨＡＰＳ２０の機体の回転に伴い、半径Δｄの円周上にある各ＦＬアンテ２１１（１）〜２１１（３）の伝搬路（主に経路長差による位相）が変化する。パイロット信号の周波数（以下「パイロット周波数」という。）によりウェイトＷを決定するため、パイロット周波数と異なる信号帯域での干渉キャンセル量は減少し、その周波数差が大きい程キャンセル量は少なくなる。

パイロット周波数の位置は、例えば図２０に示すフィーダリンクの送信信号帯域の両隣の帯域（帯域幅：１ＭＨｚ）うちの一方でもよいし、フィーダリンクの送信信号帯域幅（図中の例では、１８ＭＨｚ）の中心周波数ｆｃでもよい。

図２１は実施形態に係る互いに異なるパイロット周波数でウェイトを求めたときの干渉低減効果を評価した計算機シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。また、図２２は、ＨＡＰＳ２０の機体を回転した場合のフィーダリンクの送信信号帯域全体のＳＩＮＲ特性の計算機シミュレーションの結果の一例を示すグラフである。評価パラメータを表１に示す。

ＦＬアンテナ（中継アンテナ）２１１の半径Δｄを０．５［ｍ］、ＦＬアンテナ２１１の利得を２０［ｄＢｉ］、フロントバック比（Ｆ／Ｂ比）を２０［ｄＢ］とする。無指向性アンテナで受信した中継通信局２１０の受信ＳＮＲを２０［ｄＢ］とすると、ＦＬアンテナ２１１で受信した中継通信局２１０の受信ＳＮＲは４０［ｄＢ］となる。また、フィーダリンクの送信信号帯域幅を１８［ＭＨｚ］とする。一例として，パイロット周波数をフィーダリンクの送信信号帯域幅の端と中央に設定した場合について評価する。

図２１に示すように、パイロット周波数に応じて、フィーダリンクの送信信号帯域内の干渉低減量が異なることがわかる。パイロット周波数を送信信号帯域の中央（図中のＣ２）にした場合、送信信号帯域幅全体に渡って干渉を低減できる。また、図２２に示すように送信信号帯域の中央（図中のＣ２）にした場合、干渉キャンセラなしと比較して、ＳＩＮＲを１５ｄＢ以上改善できることがわかる。

図２３は、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）がそれぞれ一つのパイロット信号を送信する場合のパイロット周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３の一例を示す説明図である。図示の例では、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）から希望信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が送信されるフィーダリンクの送信信号帯域に低周波側側から隣接する隣接帯域に、各ＧＷ局７０（１）〜７０（３）から送信されるパイロット信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が位置している。

ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）が受信するパイロット信号Ｐ１１，Ｐ２１はそれぞれ次式（４）及び（５）で表され、それらの信号の比は、次式（６）で表される。

上記式（４）〜（６）中のｄ１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）との間の経路長であり、Δｄ２１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）それぞれとの間の経路長の差（経路差）であり、Δｄ３１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（３）それぞれとの間の経路長の差（経路差）である。ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（２）との間の経路長はｄ１＋Δｄ２１で表され、ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（３）との間の経路長はｄ１＋Δｄ３１で表される。

上記式（６）から、上記経路差Δｄ２１は次式（７）で求めることができる。上記経路差Δｄ３１等の他の経路差についても同様に求めることができる。

上記経路差を用いて、上記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆｃにおける伝搬路応答は、次式（８）のように推定できる。

図２４（ａ）は、ＧＷ局７０（１）〜７０（３）がそれぞれ一つのパイロット信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を送信する場合のパイロット周波数の他の例を示す説明図であり、図２４（ｂ）は、フィーダリンクの送信信号Ｓとパイロット信号Ｐとの間の電力差及び帯域差との関係の一例を示す説明図である。図示の例では、各パイロット信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の周波数がフィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆｃの近傍に位置している。各パイロット信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はフィーダリンクの送信信号Ｓに重畳させて送信され、受信側ではフィルターでフィーダリンクの送信信号から分離されて受信される。

また、図２４（ｂ）に示すように、フィーダリンクの送信信号帯域が１８［ＭＨｚ］に対してパイロット信号Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）の帯域は１［ｋＨｚ］である。また、フィーダリンクの送信信号の電力を１として場合、パイロット信号Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）の電力は１００である。この場合、パイロット信号を干渉信号Ｉとしたときのフィーダリンクの送信信号ＳのＳＮ比は、次式（９）のように６０程度と十分に大きな値になり、誤り訂正で、狭帯域のパイロット信号Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）が入っても問題ない。

図２４のように各パイロット信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の周波数がフィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆｃの近傍に位置する場合、伝搬路応答の行列Ｈ_ｆｃは次式（１０）で導出することができる。

上記伝搬路応答の行列Ｈ_ｆｃを用いて、干渉キャンセラに用いるウェイトは、例えば、伝搬路応答の行列を用いたＺＦ（Zero-Forcing）法又はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法により計算することができる。

例えば、ＺＦ法では、次式（１１）のように伝搬路応答の行列Ｈ_ｆｃの逆行列でウェイトＷを求めることができる。

また、ＭＭＳＥ法では、次式（１２）によりウェイトＷを用いることができる。ここで、Ｎ_Ｔは送信アンテナ数であり、γはＳＮＲである。

以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ１０，２０のフィーダリンクのＳＮＩＲの低下を抑制しつつ、フィーダリンクの周波数利用効率の向上を図ることができる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ１０，２０等の通信中継装置の無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、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）、基地局及び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、ゲートウェイ局、基地局、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）、管理装置、監視装置、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、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。

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）
６１ 端末装置
７０，７０（１）〜７０（３） ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７１，７１（１）〜７１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
８０ 移動通信網
８５ 管理装置（管制センター、コントロールセンター）
８６ サーバ
９０ 基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
１１０，２１０ 中継通信局
２００Ｃ，２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（７） ３次元セル
２００Ｆ，２００Ｆ（１）〜２００Ｆ（７） フットプリント
２１１、２１１（１）〜２１１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
２１２、２１２（１）〜２１２（３） アンテナ指向性ビーム
２１３ サーキュラーアレイアンテナ
２１４ 平面アレイアンテナ

Claims (15)

1. 端末装置と無線通信する空中滞在型の通信中継装置を有するシステムであって、
   前記空中滞在型の通信中継装置との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局を備えることを特徴とするシステム。
2. 請求項１のシステムにおいて、
   前記複数のゲートウェイ局はそれぞれ、前記空中滞在型の通信中継装置を追尾するようにフィーダリンク用アンテナを制御するアンテナ制御部を備えることを特徴とするシステム。
3. 請求項１又は２のシステムにおいて、
   前記空中滞在型の通信中継装置は、
   前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数の指向性ビームを有するフィーダリンク用アンテナと、
   前記複数のビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように前記フィーダリンク用アンテナを制御するアンテナ制御部と、を備えることを特徴とするシステム。
4. 請求項３のシステムにおいて、
   前記フィーダリンク用アンテナは、互いに異なる方向に指向性ビームを有する複数のフィーダリンク用アンテナであり、
   前記アンテナ制御部は、前記複数のフィーダリンク用アンテナの指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれを機械的に制御することを特徴とするシステム。
5. 請求項３のシステムにおいて、
   前記フィーダリンク用アンテナは、鉛直方向の仮想軸を中心とした任意の外方向に向けて前記複数の指向性ビームを形成可能なアレイアンテナであり、
   前記アンテナ制御部は、前記複数の指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、前記アレイアンテナの複数のアンテナ素子に対する送受信信号の振幅及び位相を制御することを特徴とするシステム。
6. 請求項３のシステムにおいて、
   前記フィーダリンク用アンテナは、互いに異なる方向を中心とした所定の角度範囲に指向性ビームを形成可能な複数のアレイアンテナであり、
   前記アンテナ制御部は、前記複数のアレイアンテナの指向性ビームがそれぞれ対応するゲートウェイ局の方向に向くように、各アレイアンテナの複数のアンテナ素子に対する送受信信号の振幅及び位相の制御と前記複数のアレイアンテナの切替制御とを選択的に行うことを特徴とするシステム。
7. 請求項１乃至６のいずれかのシステムにおいて、
   前記空中滞在型の通信中継装置は、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部を備えることを特徴とするシステム。
8. 請求項７のシステムにおいて、
   前記複数のゲートウェイ局は互いに送信タイミングに関して時間同期制御され、
   前記干渉抑圧部は、
   前記複数のゲートウェイ局それぞれについて、前記ゲートウェイ局から送信した送信信号が他のゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信されて干渉する干渉信号を抑圧するためのウェイトを計算し、
   前記複数のゲートウェイ局それぞれについて、前記ゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信した受信信号から、他のゲートウェイ局に対応する指向性ビームで受信した受信信号に前記他のゲートウェイ局に対応する前記ウェイトを掛けて減算する、ことを特徴とするシステム。
9. 請求項８のシステムにおいて、
   前記複数のゲートウェイ局はそれぞれパイロット信号を送信し、
   前記干渉抑圧部は、
   前記複数のゲートウェイ局それぞれから受信した前記パイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれと前記通信中継装置のフィーダリンク用アンテナとの間の複数の経路差を計算して伝搬路応答を推定し、
   前記複数の伝搬路応答に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算する、ことを特徴とするシステム。
10. 請求項９のシステムにおいて、
    前記干渉抑圧部は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数又はその周辺の周波数において、前記複数の伝搬路応答を推定して前記複数のウェイトを計算する、ことを特徴とするシステム。
11. 請求項９又は１０のシステムにおいて、
    前記複数のパイロット信号は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の両隣に位置するガードバンドに位置することを特徴とするシステム。
12. 請求項９又は１０のシステムにおいて、
    前記複数のパイロット信号は、前記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数又はその周辺の周波数に位置することを特徴とするシステム。
13. 請求項９乃至１２のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数のパイロット信号は互いに異なる周波数で送信されることを特徴とするシステム。
14. 請求項９乃至１３のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数のゲートウェイ局のそれぞれからパイロット信号が送信されることを特徴とするシステム。
15. 請求項９乃至１４のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数のウェイトはそれぞれ、前記伝搬路応答の行列を用いたＺＦ（Zero-Forcing）法又はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法により計算することを特徴とするシステム。