JP3584282B2 - Wireless communication system using annular cells - Google Patents

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JP3584282B2 JP2001041290A JP2001041290A JP3584282B2 JP 3584282 B2 JP3584282 B2 JP 3584282B2 JP 2001041290 A JP2001041290 A JP 2001041290A JP 2001041290 A JP2001041290 A JP 2001041290A JP 3584282 B2 JP3584282 B2 JP 3584282B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラットフォームを用いた無線通信システムに関しており、特に、サービス地域の上空に滞留する成層圏プラットフォームの向きが変わることによる影響を受けづらい構成をもった、円環状セルを用いた無線通信システムに関している。
【0002】
【従来の技術】
超短波帯や極超短波帯の周波数を用いながら広域をカバーする商業用無線通信システムでは、それぞれが狭い範囲を受け持つ多数の基地局で構成されることが多い。1つの基地局がカバーする範囲はセルと呼ばれ、その半径は商業用の無線通信システムである携帯電話では1〜5km程度、同様に商業用の無線通信システムであるPHSでは100〜500m程度であり、全体のサービス範囲に、基地局をある間隔で配置する多セル構成が採られている。このような多セル構成にするひとつの理由は、少数の大電力基地局が広い範囲をカバーするよりも、多数の小電力基地局がそれをカバーする方が、周波数資源の利用効率が高い事が挙げられる。すなわち、周波数資源を有効に活用でき、与えられた周波数帯域で、より多くの端末数を収容できるからである。
【0003】
この理由は、このような多セル構成としたシステムで、隣接したセル同士は、信号の干渉を避けるために同一時刻に同一周波数チャネルを使えないが、隣接せず少し離れたセルでは干渉をあまり受けずに、同一時刻に同一周波数チャネルを使えるためである。さらに、同じ周波数チャネルを一定距離おきに繰り返し使用することにより、周波数資源の利用効率を向上させることができる。
【0004】
例えば、図1に示すように、その通信システム全体の周波数帯域を7つに細分化して、蜂の巣状のセル配置とし、このセルに一つずつ周波数帯域を割当て、しかも、隣接するセルでは、同じ周波数帯域を持たないように、7つの周波数帯域を繰り返し割り当てる様にする。図1に示すセルの構成法は、上記の商業用の無線通信システムの携帯電話やPHS等の無線システムでは典型的なセルの構成法で、各セルの中心にある基地局を結ぶ線が正三角形を成す構成となる。
【0005】
因みに、最近サービスが開始された商業用の無線通信システムであるCDMA方式の無線システムでは、隣接セルは同じ周波数チャネルであるが、違う符号を使って干渉を避けており、周波数か符号かの違いはあるが、やはり周波数資源の利用効率を高めるために、符号に関して全く同じようなセル構成をとっている。
【0006】
図1は、一般的な蜂の巣状セルの構成を示すが、このセルの構成では、内部の1つのセルに着目すると、回りに6個の隣接セルがあるため、自分自身も含めて通常7つの細分化された別々の周波数帯域をそれぞれのセルに割り当てて運用することにより高い周波数資源の利用効率を実現している。しかし、携帯電話の端末数の急激な増加のために、更に周波数資源の利用効率を向上する技術開発が望まれている。
【0007】
例えば、もし、各セルの面積が同じで周波数繰り返し数を減らすことができれば、更なる周波数資源の利用効率の向上が期待できる。例えば、同じ単位セルの大きさで周波数繰り返しの単位数を半分に減らすことができれば、その利用効率を2倍にでき、通信システムとしては、2倍のユーザ端末局を収容できる、または、同じ数の端末局を半分の周波数帯域幅で収容できる。
【0008】
上記の場合は、7つの細分化された別々の周波数帯域に分けたが、ここで、一般に4色問題として知られている地図の色分けと同様に、複数の任意の形状の領域については、4つの周波数帯域に分ける事によっても周波数帯域を繰り返し割り当てることも可能である。
【0009】
また、上記のセル配置を構成するために用いる基地局は、それぞれのセル内部から見通しの良い場所に設置することが望まれる。このため、高空に何らかの方法で基地局を設けることが検討されている。その方法としては、例えば、無人あるいは有人の飛行機を飛ばして、ほぼ定点位置に止まるようにする事や、気球を飛ばして、それに基地局を設ける事が挙げられている。特に、飛行船を用いる方法では、飛行機よりも高空に上昇でき、成層圏に高度を維持することが容易であることから、そこに留まる飛行船を用いることにより、そのカバー範囲を広く取れる。これは、成層圏プラットフォームとして注目されている。
【0010】
成層圏プラットフォームとは、高度20km程度の成層圏に長期間定点滞空できる飛翔体のことである。その滞空高度が高いために電波の中継基地や基地局として極めて有用であることから、現在世界各国で研究されている。その飛翔体の候補としては、大型の無人飛行船で、日本や欧米での検討から、全長200mクラスの巨大飛行船がある。成層圏プラットフォームは、利用の予想される大都市上空に静止した人工衛星(現実には静止衛星は赤道上空約36000kmの軌道でしか実現できない)が実現したのと同じ効果を持つ。しかも、静止衛星よりも高度が低いために、伝搬遅延が少なく、しかも、同じ周波数で同じ大きさのアンテナを使い同じ伝送速度を実現するための通信に必要な送信電力は、その数十万分の1以下で済んでしまう。また、地上系の無線システム(例えば商業用携帯電話)と比較すると、基地局とユーザ端末局間の距離は多少遠いが、ほとんどのユーザ端末局の場所で成層圏プラットフォームが見通せるために、地上系の無線システムで見通しのきかない場合よりも電波の減衰が少なく有利である。そのため、高速で大容量の無線通信システムの構築に極めて適したインフラストラクチャと期待されている。
【0011】
成層圏プラットフォームの特徴は、通信システムに適した高度20km程度という位置から電波を送受信できることである。このような、1つのプラットフォームで直径100km以上の広い範囲をカバーできる。また、この成層圏プラットフォームを用いて無線通信システムを構築するときに、全体の収容局数を多くするため、地上系システムと同様な小さなセルに分割して周波数有効利用を図る事が望まれる。
【0012】
このような成層圏プラットフォームでは、機体の方位が風向きによってあらゆる方向に変化する。そこで、成層圏プラットフォームから発射される電波のビーム方向の変動を無くすために、従来の蜂の巣状のセルで構成されたサービス地域に用いるアンテナでは、基地局から見た電波のビーム方向を常に一定に保つために、成層圏プラットフォームのアンテナの方位角を任意に変えられる機械的なターンテーブルが用いられる。しかし、このような機械的なターンテーブルの重量は比較的大きいため、大型の機体にならざるを得ないという問題があった。しかも、成層圏プラットフォームの回転に合わせて、連続的に何回転もできるようにする必要があるが、そのためには、機械的なターンテーブルの軸上に電源線や信号線を通すためのスリップリングやロータリージョイントを使う必要があり、これらが信頼性の低下の一因となっていた。
【0013】
また、ビーム方向を任意に電子的に設定できるビームフォーミングアンテナを使うことにより、上記の機械的なターンテーブルをなくすことも可能であるが、そのようなアンテナは、制御系が非常に複雑であり、多くの信号処理系を備える必要があった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様に、従来の無線通信システムでは、サービス地域を多セルに分割する構成が用いられてきたが、さらなる周波数資源の利用効率の改善が求められており、また、これまでに提案された成層圏プラットフォームでは、そのサービス地域を分割するセル構成は、従来の構成と同様に蜂の巣状であり、したがって、重量の嵩む機械的なターンテーブルか、制御系が非常に複雑であり多くの信号処理系を備える必要のあるビームフォーミングアンテナを、使う必要があった。
【0015】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、高い周波数資源の利用効率を実現し、成層圏プラットフォームに搭載した場合でも、容易に、成層圏プラットフォームの転向に対処することができる円環状セルを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明は、円環状セルを用いた無線通信システムに関しており、サービス地域の上空にプラットフォームを配置した無線通信システムにおいて、上記プラットフォーム直下を中心とする円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、上記円形状のセルの周りに少なくとも1つの円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置し、上記プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことで、サービス地域を維持するようにしたことを特徴としている。
【0017】
そのような円環状のセルを持ったサービス地域のセル構成は、アンテナの指向性により形成するものであるが、複雑なビーム形状を少数のアンテナで構成することも可能であり、また、アンテナの設置面積は増加するものの、単純な構成とすることも可能である。更に、アンテナ重量を軽減することができ、プラットフォームの姿勢変動にも容易に対処できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、高空に設けられた成層圏プラットフォームを用いるものであり、また、その高空に設けられたという特徴を生かして、セル形状を工夫することにより、周波数繰り返し単位数を2に減じて周波数資源の利用効率を高め、さらに、方位方向の補正をする必要を無くす様にしたものである。より具体的には、本発明のセル形状を、図2に示すように、成層圏プラットフォーム直下を中心とした同心円で分割される円環状のセル構成とするものである。
【0019】
地上系の携帯電話システムのような場合には、電波の伝搬方向がほとんど地平線と平行な水平方向のため、直線偏波(水平偏波あるいは垂直偏波)を用いることができ、特にアンテナの構造が簡単になる垂直偏波が使われることが多い。
【0020】
しかし、移動体衛星通信のような高空にある基地局と通信する無線通信システムでは、衛星とユーザ端末局との向きを含めた位置関係が不特定となり、水平偏波あるいは垂直偏波を用いるとアンテナの向きを調整する必要があるため、一般に電波の偏波方向がアンテナの姿勢に依存しない円偏波の電波が用いられる。
【0021】
本発明の場合は、円偏波と、直線偏波とのいづれによっても実現することができるので、円環状セルを実現する構成例を、1)円偏波の場合と、2)直線偏波の場合とに分けて以下に述べる。いずれの場合にも、円環状セルを実現するためには、一定仰角だけに指向性があり、しかも方位角方向には無指向の回転対称な、図3に示すような指向性形状のビーム(ファンビーム)を持つアンテナが必要となる。
【0022】
1)円偏波の場合
まず、円偏波でファンビームを持つアンテナとしては、図4に示すようなヘリカルアンテナが良く知られており、これは、最近ではイリジウムやICOシステムと呼ばれる低軌道衛星を用いた移動通信システムの端末局アンテナとして実用されている。このヘリカルアンテナは、円筒形の誘電体の筒に線を巻いただけの簡単な構造であるが、巻き回数を変えることによりビームの幅(円環状セルの幅に対応する)を変えることができ、また、巻きピッチや筒の直径を変えることによって指向方向の立体角(ドーナツ状セルの平均直径に対応する)を変えることができる。また、円筒の誘電体の誘電率を変えることでも指向方向の立体角を制御できる。さらに、よく知られているように、1線巻、2線巻、4線巻等のバリエーションがあり、それぞれの特徴により構成は僅かに異なるものの本質的には同様の構成により、これらを用いることができる。この様な、仰角方向のアンテナ指向パターンの例を図5に示す。これは、上記の2線巻ヘリカルアンテナの例である。
【0023】
このようなヘリカルアンテナを素子アンテナとするもので、その指向方向の立体角が違うものを複数個同時に使用することにより、同心円上の円環状セル構成を実現することができる。複数個の並べ方としては、縦に並べて長いアンテナとすることもできるが、非常に細長くなるので、図6に示すように平面に分散させて並べる方が合理的である。一般的に、成層圏プラットフォームの機体表面面積は大きいので、平面的に並べるのが適していると言える。なお、直下方向の中心のセルだけは円環状ではなく、円形となるが、それに必要な軸方向の指向性を持つヘリカルアンテナも製作可能であり、これを用いるものである。
【0024】
アンテナの大きさとしては、使用する周波数にもよるが、移動通信に良く用いられる周波数として、500MHから2GHzであり、この場合は、基地局のアンテナ利得としては、5dBiから10数dBi程度の利得が得られるものが望ましいが、このためには、ヘリカルアンテナのサイズは、直径20mm程度、長さ数十cm程度で、隣のアンテナとの間隔は数十cm程度あければ良く、その重量は、1個当り5〜10kg程度である。用いる周波数が低くなるに従って、アンテナの大きさが大きくなり、本発明に用いるには、実用的でなくなる傾向にある。また、周波数が高くなるにしたがって、ヘリカルアンテナでは放射効率が低くなって利得が十分取れなくなり、やはり実用的でなくなる傾向にある。
【0025】
2)直線偏波の場合
次に、垂直偏波の場合の円環状セルを実現する例を述べる。既に知られている様に、商業用の地上系携帯電話基地局アンテナとして使われているダイポールアレイアンテナの各素子ダイポールに給電する信号の位相を調節して下方向にチルトさせた指向性を持たせることが可能である。この模式図を図7に示す。そのチルト角の違う複数のダイポールアレイアンテナを用いることにより、円環状セルを構成できる。ただし、成層圏プラットフォーム直下方向の中心のセルだけは、ダイポールアレイアンテナでは軸方向の利得がないため、真下方向のビームだけは、ダイポールアレイアンテナとは別の、ホーンアンテナやヘリカルアンテナ等を用いる必要がある。しかし、その真下方向には、原理的に垂直偏波の放射はできないので、水平偏波あるいは円偏波を用いざるを得ない。このため、高いアンテナ利得は期待できないが、真下方向は距離が近いため、実用上は問題無い。
【0026】
成層圏プラットフォームは、例えば、都心上空に滞空させることができる。この特徴を活かして構成した、5つのセルからなる通信システム例を図8に示す。シミュレーションにおけるこのプラットフォームは、上空約20kmに滞空させることのできる直径65m、長さ245mの飛行船に搭載したものである。
【0027】
人工密度が高く、電波を遮蔽する恐れのある高層ビルの多い都心には、成層圏プラットフォーム直下方向の円形ビームが向くようにして、そのビームだけは例えば通常のホーンアンテナやパッチアレイアンテナ等で作る。また、そのすぐ外側に第1の円環状セル用のビームをヘリカルアンテナで作り、さらに外側に第2、第3の円環状セル用のビームをヘリカルアンテナで作る。図8の例では、外側にいくにしたがって、円環セルの幅を狭めてそれぞれのセルの面積がほぼ同じになるようにしているが、都心から離れるほど人工密度も低くなる場合には、外側のセルほど面積を大きくすることが望ましい。
【0028】
図9は、それぞれのセルの幅を同じとした場合(外側にいくにしたがって徐々にセル面積が大きくなる)を示し、図10は、搭載アンテナの各ビームの幅を同じとして結果的に外側のセルほどセル幅が広くなる場合(外側にいくにしたがって、急激にセル面積が大きくなる)を示す。いずれの場合でも、セル当りのユーザ端末局数を均等にしておくことが望ましい。
【0029】
上記の成層圏プラットフォーム機体の姿勢は、上空の風の向きや強さの変化によって変ることがある。特に、方位は風の方向によってあらゆる方向に変る可能性があるので、その対策が必要である。
【0030】
この点において、本発明では、サービス地域を、成層圏プラットフォーム直下点を中心として回転対称な円環状のセル構成としているので、回転については、さらなる対策を施す必要はない。また、その他の姿勢変動であるロールとピッチの変動は通常数度以内のわずかなものであるので、既によく知られた機械駆動装置を用いて、アンテナ全体の基台を姿勢変動と反対方向に動かし、予め決められた地点に、円環状のセルの中心が来るようにすることにより、ロールとピッチの変動対策を施すことがきる。また、成層圏プラットフォームが風で僅かに流された場合でも、上記の様に、予め決められた地点に、円環状のセルの中心が来るようにすることにより、サービス範囲を維持することができる。このように、サービス地域を、円環状のセル構成とし、アンテナのビームパターンもそれに合わせた構成とすることにより、成層圏プラットフォームを使った無線通信システムは、これまでに提案された構成に比べて、アンテナの姿勢を制御するための機構が簡単になった。
【0031】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【0032】
発明により、1つのドーナツ型セルは、内側と外側のセルの2つのセルにしか接しないため、周波数繰り返し数を最小である2としても、隣接セルで用いる信号間同士の干渉が起こらず、周波数資源の利用効率を大幅に高めることができるようになった。また、同一セル内にいるどの端末局からでも成層圏プラットフォーム基地局までの距離はほぼ一定のため、その成層圏プラットフォームからの電波について、基地局側での受信レベルが各セル毎にほぼ一定で、通信システムの設計が容易になった。さらに、伝搬に要する時間(伝搬遅延)もほぼ一定のため、高速パケット通信において、基地局でのパケット受信タイミングのバラツキが少なく、ガードタイムを少なくしたシステムが構築できようになり、このため、高速パケット通信での回線使用効率が向上した。また、セルが成層圏プラットフォーム直下点を中心とした点対の同心円環であるため、成層圏プラットフォーム機体の機首方向が風向の変化によってどの方向を向いてもアンテナを固定したままでサービス範囲を一定に保つことができるようになった。
【0033】
また、円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置ことにより、アンテナの構成が簡単になった。
【0034】
また、プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことにより、プラットフォームのローリングやピッチング、あるいは少しの漂流に対して、サービス地域を維持できるようになった。
【0035】
さらに、円形状のセルを形成するためにホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナを用い、円環状のセルを形成するためにヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナを用いることにより、搭載アンテナを軽量にすることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な蜂の巣状セルの構成を示す模式図である。
【図2】成層圏プラットフォームを使った円環状セル構成無線システムの概念図である。
【図3】要求される素子アンテナのビームパターンを示す模式図である。
【図4】ヘリカルアンテナ素子の例を示す模式図である。
【図5】ヘリカルアンテナ素子の仰角方向指向パターン例を示す図である。
【図6】素子アンテナを複数個配置する配置例を示す模式図である。
【図7】円環状セルを構成するための、チルト角の違う複数のダイポールアレイアンテナを示す模式図である。
【図8】等面積円環状セル構成の例示す模式図である。
【図9】等セル幅円環状セル構成の例示す模式図である。
【図10】等ビーム幅円環状セル構成の例示す模式図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wireless communication system using a platform, and in particular, to a wireless communication system using an annular cell having a configuration that is less likely to be affected by a change in direction of a stratospheric platform staying above a service area. I have.
[0002]
[Prior art]
A commercial wireless communication system that covers a wide area while using a frequency of an ultrahigh frequency band or an ultrahigh frequency band is often configured with a large number of base stations each covering a narrow range. The area covered by one base station is called a cell, and its radius is about 1 to 5 km for a mobile phone as a commercial wireless communication system, and about 100 to 500 m for a PHS as a commercial wireless communication system. There is a multi-cell configuration in which base stations are arranged at certain intervals in the entire service range. One reason for such a multi-cell configuration is that frequency resource utilization is more efficient when a large number of low power base stations cover a large area than when a small number of high power base stations cover a wide area. Is mentioned. That is, frequency resources can be effectively used, and a larger number of terminals can be accommodated in a given frequency band.
[0003]
The reason for this is that in such a multi-cell system, adjacent cells cannot use the same frequency channel at the same time to avoid signal interference. This is because the same frequency channel can be used at the same time without receiving. Furthermore, by repeatedly using the same frequency channel at regular intervals, the efficiency of frequency resource utilization can be improved.
[0004]
For example, as shown in FIG. 1, the frequency band of the entire communication system is subdivided into seven, the cells are arranged in a honeycomb shape, and a frequency band is assigned to each of these cells. Seven frequency bands are repeatedly assigned so as not to have a frequency band. The cell configuration method shown in FIG. 1 is a typical cell configuration method in a wireless system such as a mobile phone or a PHS of the above-mentioned commercial wireless communication system, in which a line connecting a base station at the center of each cell is positive. The configuration forms a triangle.
[0005]
Incidentally, in a CDMA wireless system, which is a commercial wireless communication system that has recently started service, adjacent cells are on the same frequency channel, but use different codes to avoid interference, and the difference between frequency and code is different. Nevertheless, in order to increase the efficiency of frequency resource utilization, a completely similar cell configuration is used for codes.
[0006]
FIG. 1 shows the configuration of a general honeycomb cell. In this cell configuration, when focusing on one internal cell, there are six adjacent cells around the cell, so that there are usually seven cells including itself. By allocating and operating the subdivided different frequency bands to the respective cells, high frequency resource utilization efficiency is realized. However, due to the rapid increase in the number of mobile phone terminals, there has been a demand for technology development for further improving the efficiency of use of frequency resources.
[0007]
For example, if the area of each cell is the same and the number of frequency repetitions can be reduced, further improvement in frequency resource utilization efficiency can be expected. For example, if the number of frequency repetition units can be reduced by half with the same unit cell size, the utilization efficiency can be doubled, and the communication system can accommodate twice the number of user terminal stations, or Terminal stations with half the frequency bandwidth.
[0008]
In the above case, the frequency band is divided into seven subdivided and separate frequency bands. Here, similar to the color classification of a map generally known as a four-color problem, a plurality of regions having arbitrary shapes are divided into four. It is also possible to repeatedly assign a frequency band by dividing into two frequency bands.
[0009]
In addition, it is desirable that base stations used for configuring the above-described cell arrangement be installed in places where the inside of each cell can be easily seen. For this reason, providing a base station in a high altitude by some method is being studied. As the method, for example, flying an unmanned or manned airplane to stop at a substantially fixed point position, or flying a balloon and providing a base station on the balloon are mentioned. In particular, the method using an airship can ascend to a higher altitude than an airplane and can easily maintain an altitude in the stratosphere. Therefore, by using an airship that stays there, the coverage can be widened. This is drawing attention as a stratospheric platform.
[0010]
The stratospheric platform is a flying object that can stay at a fixed point in the stratosphere at an altitude of about 20 km for a long time. Due to its high altitude, it is extremely useful as a relay station or base station for radio waves. As a candidate for the flying object, there is a large unmanned airship, a huge airship with a total length of 200m class, based on studies in Japan, Europe and the United States. The stratospheric platform has the same effect as that achieved by a geosynchronous satellite that is expected to be used over a metropolis that is expected to be used (in reality, a geosynchronous satellite can only be realized in an orbit about 36,000 km above the equator). Moreover, since the altitude is lower than that of the geostationary satellite, the propagation delay is small, and the transmission power required for communication to achieve the same transmission speed using the same frequency and the same antenna is several hundred thousand minutes. Less than one. Also, when compared with a terrestrial radio system (for example, a commercial mobile phone), the distance between the base station and the user terminal station is slightly longer, but since the stratospheric platform can be seen at most user terminal station locations, This is advantageous because radio waves are less attenuated than when the line of sight is not visible in a wireless system. Therefore, it is expected that the infrastructure is extremely suitable for building a high-speed and large-capacity wireless communication system.
[0011]
A feature of the stratospheric platform is that it can transmit and receive radio waves from an altitude of about 20 km, which is suitable for communication systems. Such a single platform can cover a wide area of 100km or more in diameter. Also, when constructing a wireless communication system using this stratospheric platform, in order to increase the total number of accommodated stations, it is desired to divide the cell into small cells similar to the terrestrial system and to use the frequency effectively.
[0012]
In such a stratospheric platform, the orientation of the aircraft changes in all directions depending on the wind direction. Therefore, in order to eliminate the fluctuation of the beam direction of the radio wave emitted from the stratospheric platform, the antenna used for the service area composed of conventional honeycomb cells always keeps the beam direction of the radio wave seen from the base station constant To this end, a mechanical turntable is used that can arbitrarily change the azimuth of the antenna of the stratospheric platform. However, the weight of such a mechanical turntable is relatively large, so that there is a problem that it has to be a large aircraft. In addition, it is necessary to be able to make many revolutions continuously according to the rotation of the stratospheric platform. To do so, a slip ring for passing power and signal lines on the shaft of the mechanical turntable and Rotary joints had to be used, which contributed to reduced reliability.
[0013]
The use of a beamforming antenna that can electronically set the beam direction can eliminate the mechanical turntable, but such an antenna has a very complicated control system. , It was necessary to provide many signal processing systems.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional wireless communication system, a configuration in which a service area is divided into multiple cells has been used. However, further improvement in the use efficiency of frequency resources is required, and proposals have been made so far. On a stratospheric platform, the cell configuration that divides the service area is a honeycomb like the conventional configuration, and therefore a heavy mechanical turntable or a very complicated control system and many signal processing systems It was necessary to use a beamforming antenna that needed to be provided.
[0015]
The present invention has been proposed in view of the above, and realizes high frequency resource utilization efficiency, and can easily cope with the turning of the stratospheric platform even when mounted on the stratospheric platform. It is an object to provide a communication system.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first invention relates to a wireless communication system using an annular cell, and in a wireless communication system in which a platform is arranged above a service area, a circular communication centering directly below the platform is provided. A horn antenna or a patch array antenna forming a cell, and a helical antenna or a dipole antenna forming at least one annular cell around the circular cell ; The service area is maintained by moving the base in the direction opposite to the attitude change .
[0017]
A cell configuration in a service area having such an annular cell is formed by the directivity of an antenna, but it is also possible to configure a complicated beam shape with a small number of antennas. Although the installation area increases, a simple configuration is also possible. Further, the weight of the antenna can be reduced, and the attitude of the platform can be easily changed.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention uses a stratospheric platform provided at a high altitude, and utilizes the feature of being provided at the high altitude to devise a cell shape to reduce the number of frequency repetition units to 2 to reduce frequency resources. The use efficiency is improved, and the need to correct the azimuth direction is eliminated. More specifically, as shown in FIG. 2, the cell shape of the present invention is an annular cell configuration divided by concentric circles centered immediately below the stratospheric platform.
[0019]
In the case of a terrestrial mobile phone system, since the propagation direction of the radio wave is almost parallel to the horizon and the horizontal direction, linear polarization (horizontal polarization or vertical polarization) can be used. Vertical polarization is often used, which makes it easier.
[0020]
However, in a wireless communication system that communicates with a base station at a high altitude, such as mobile satellite communication, the positional relationship including the direction between the satellite and the user terminal station is unspecified, and when horizontal polarization or vertical polarization is used. Since the direction of the antenna needs to be adjusted, a circularly polarized radio wave whose polarization direction does not depend on the attitude of the antenna is generally used.
[0021]
In the case of the present invention, since it can be realized by both circularly polarized light and linearly polarized light, examples of the configuration for realizing the annular cell are 1) circularly polarized wave, and 2) linearly polarized wave. This is described separately below. In any case, in order to realize an annular cell, a beam having a directivity only at a certain elevation angle and a non-directional rotational symmetry in the azimuth direction (a directional shape as shown in FIG. 3). An antenna having a fan beam is required.
[0022]
1) In the case of circular polarization First, as an antenna having a fan beam with circular polarization, a helical antenna as shown in FIG. 4 is well known, which is a low-orbit satellite recently called iridium or an ICO system. It has been put to practical use as a terminal station antenna of a mobile communication system that uses the. This helical antenna has a simple structure in which a wire is wound around a cylindrical dielectric tube, but the width of the beam (corresponding to the width of the annular cell) can be changed by changing the number of turns. Also, the solid angle (corresponding to the average diameter of the donut-shaped cell) in the directivity direction can be changed by changing the winding pitch or the diameter of the cylinder. Also, the solid angle in the directional direction can be controlled by changing the dielectric constant of the cylindrical dielectric. Further, as is well known, there are variations such as one-wire winding, two-wire winding, and four-wire winding, and although the configuration is slightly different depending on each characteristic, these are used by essentially the same configuration. Can be. FIG. 5 shows an example of such an antenna directivity pattern in the elevation direction. This is an example of the above-described two-wire helical antenna.
[0023]
When such a helical antenna is used as an element antenna and a plurality of antennas having different solid angles in the directivity directions are used at the same time, a concentric annular cell configuration can be realized. As a plurality of arrangement methods, a long antenna can be arranged vertically, but since it becomes very elongated, it is more reasonable to disperse and arrange them on a plane as shown in FIG. In general, the stratospheric platform has a large body surface area, so it can be said that it is appropriate to arrange it in a plane. It should be noted that although only the cell at the center in the direction directly below is not circular but circular, a helical antenna having the necessary axial directivity can also be manufactured and used.
[0024]
Although the size of the antenna depends on the frequency used, a frequency often used in mobile communication is from 500 MHz to 2 GHz. In this case, the antenna gain of the base station is about 5 dBi to about 10 dBi. However, for this purpose, the size of the helical antenna should be about 20 mm in diameter and about several tens of cm in length, and the distance between adjacent antennas should be about several tens of cm. The weight is about 5 to 10 kg per piece. As the frequency used decreases, the size of the antenna increases, which tends to be impractical for use in the present invention. Further, as the frequency increases, the radiation efficiency of the helical antenna decreases, and it becomes impossible to obtain a sufficient gain, which also tends to be impractical.
[0025]
2) In case of linear polarization Next, an example of realizing an annular cell in the case of vertical polarization will be described. As is already known, the dipole array antenna used as a commercial terrestrial mobile phone base station antenna has a directivity that is tilted downward by adjusting the phase of the signal fed to each element dipole. Is possible. This schematic diagram is shown in FIG. By using a plurality of dipole array antennas having different tilt angles, an annular cell can be formed. However, since the dipole array antenna has no axial gain only in the center cell directly below the stratospheric platform, it is necessary to use a horn antenna or helical antenna, etc., different from the dipole array antenna only for the beam directly below. is there. However, a vertically polarized wave cannot be radiated in the downward direction in principle, so that a horizontally polarized wave or a circularly polarized wave must be used. Therefore, a high antenna gain cannot be expected, but there is no practical problem since the distance is short immediately below.
[0026]
The stratospheric platform can, for example, be hovering over the city center. FIG. 8 shows an example of a communication system including five cells configured by utilizing this feature. This platform in the simulation is mounted on an airship 65m in diameter and 245m long that can fly over about 20km.
[0027]
In a city center where there are many high-rise buildings that have a high artificial density and may shield radio waves, a circular beam directly below the stratospheric platform is directed, and only the beam is formed by, for example, a normal horn antenna or patch array antenna. Further, a beam for the first annular cell is produced by a helical antenna immediately outside the helical antenna, and a beam for the second and third annular cells is produced by a helical antenna further outward. In the example of FIG. 8, the width of the annular cell is reduced toward the outside so that the area of each cell becomes substantially the same. It is desirable to increase the area as the cell becomes larger.
[0028]
FIG. 9 shows a case where the width of each cell is the same (the cell area gradually increases toward the outside), and FIG. The case where the cell width becomes wider as the cell becomes larger (the cell area becomes larger rapidly as going outward) is shown. In any case, it is desirable to equalize the number of user terminal stations per cell.
[0029]
The attitude of the above stratospheric platform aircraft may change due to changes in the direction and strength of the wind over the sky. In particular, the azimuth may change in any direction depending on the direction of the wind.
[0030]
In this regard, in the present invention, since the service area has an annular cell configuration that is rotationally symmetric about the point immediately below the stratospheric platform, there is no need to take any further measures for rotation. In addition, since the roll and pitch fluctuations, which are other posture fluctuations, are usually slight within several degrees, the base of the entire antenna is moved in the opposite direction to the posture fluctuation using a well-known mechanical drive device. By moving it so that the center of the annular cell comes to a predetermined point, it is possible to take measures against roll and pitch fluctuations. Further, even when the stratospheric platform is slightly swept away by the wind, the service range can be maintained by setting the center of the annular cell to the predetermined point as described above. As described above, the radio communication system using the stratospheric platform has a service area of an annular cell configuration, and a beam pattern of the antenna adapted to the configuration. The mechanism for controlling the attitude of the antenna has been simplified.
[0031]
【The invention's effect】
Since the present invention has the above-described configuration, the following effects can be obtained.
[0032]
According to the present invention, one donut-shaped cell contacts only two cells, the inner and outer cells. Therefore, even if the frequency repetition number is set to 2, the interference between signals used in adjacent cells does not occur. The use efficiency of frequency resources can be greatly improved. Also, since the distance from any terminal station in the same cell to the stratospheric platform base station is almost constant, the reception level at the base station for radio waves from the stratospheric platform is almost constant for each cell, System design has become easier. Furthermore, because of the time required for propagation (propagation delay) is also substantially constant, in a high-speed packet communication, the variation of the packet reception timing is small in the base station, will allow the system with a reduced guard time Ru can be built, Therefore, The line use efficiency in high-speed packet communication has been improved. The service remains cell for a concentric ring of the point symmetry around the stratospheric platform nadir, heading stratospheric platform aircraft fixing the antennas oriented in any direction by a change in wind direction The range can now be kept constant.
[0033]
In addition, the horn antenna or patch array antenna that forms a circular cell and the helical antenna or dipole antenna that forms an annular cell are planarly arranged on a base, thereby simplifying the antenna configuration. Was.
[0034]
In addition, moving the base in the opposite direction to the platform's attitude change allows the service area to be maintained for rolling, pitching, or slight drifting of the platform.
[0035]
Furthermore, by using a horn antenna or patch array antenna to form a circular cell, and using a helical antenna or dipole antenna to form an annular cell , the mounted antenna can be made lighter. became.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a general honeycomb cell.
FIG. 2 is a conceptual diagram of an annular cell configuration wireless system using a stratospheric platform.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a required beam pattern of an element antenna.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a helical antenna element.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an elevation direction directional pattern of a helical antenna element.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an arrangement example in which a plurality of element antennas are arranged.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a plurality of dipole array antennas having different tilt angles for forming an annular cell.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of an equal-area annular cell configuration.
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of an annular cell configuration having an equal cell width.
FIG. 10 is a schematic diagram showing an example of an equal beam width annular cell configuration.

Claims (1)

サービス地域の上空にプラットフォームを配置した無線通信システムにおいて、
上記プラットフォーム直下を中心とする円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、上記円形状のセルの周りに少なくとも1つの円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置し、
上記プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことで、サービス地域を維持するようにしたことを特徴とする円環状セルを用いた無線通信システム
In a wireless communication system where a platform is placed above the service area,
A horn antenna or patch array antenna forming a circular cell centered directly below the platform ; and a helical antenna or dipole antenna forming at least one annular cell around the circular cell. Place it flat on top,
A wireless communication system using an annular cell , wherein a service area is maintained by moving a base in a direction opposite to the attitude change of the platform .
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