JP3793177B2 - 地球基地局、移動衛星通信システム及び信号処理方法 - Google Patents
地球基地局、移動衛星通信システム及び信号処理方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動衛星通信システムにてユーザ局から衛星中継器の中継を経て信号を受信して復調する地球基地局、当該移動衛星通信システム、及び当該地球基地局における信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すスルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器（以下単に「衛星中継器」という）２０を用いる衛星通信システム１は、地球基地局１０と衛星中継器２０とユーザ局３０から構成されている。なお、この明細書では、以下、ユーザ局３０と衛星中継器２０との間の通信回線４０を「サービスリンク」、衛星中継器２０と地球基地局１０との間の通信回線５０を「フィーダリンク」と呼ぶ。また、サービスリンクでは、衛星中継器２０が形成する複数のマルチビームによって複数のエリア６０が形成される。この明細書では、以下、地球基地局１０からユーザ局３０への方向の通信を「フォワードリンク」、一方、ユーザ局３０から地球基地局１０への方向の通信を「リターンリンク」と呼ぶ。
【０００３】
このような衛星通信システムの具体例として、日本で運用されている移動衛星通信システムが挙げられる（下記の非特許文献１参照）。このシステムでは、サービスリンクに４つのエリアを形成するスルーリピータ型の衛星中継器が用いられている。サービスリンクの各ビームではＳ帯（2.5/2.6GHz）における１５MHzの周波数帯域幅が共有される。一方、フィーダリンクでは、各ビームに対応する１５MHzの信号が周波数軸上にガードバンドを挿んで並べられ、Ｃ帯（6/4GHz）における単一の信号として伝送される。衛星中継器では中継信号に対してＣ帯とＳ帯間の周波数変換と電力増幅処理のみが施され、中継信号はユーザ局と地球基地局の間を透過的に中継される。
【０００４】
このような中継回線を介して、ユーザ局と地球基地局は、ある周波数帯域幅を持った信号（チャネル）を用いてデータのやり取りを行う。図２は、サービスリンクとフィーダリンク間におけるチャネルの中継処理を、周波数領域における信号の流れによって示したものである。ここで、チャネルは、サービスリンクにおいてＮ個存在し、全エリアで共通のチャネル番号#n（nは１〜Ｎの整数）によって識別されるものとして定義される。また、サービスリンクにおけるビーム数をＢとし、各ビームはビーム番号#b（bは１〜Ｂの整数）によって識別される。サービスリンクの各ビームにおけるＮ個のチャネルは衛星中継器によってフィーダリンクに中継され、フィーダリンク上では、各エリアに対応するＮ個のチャネルからなるＢ個のチャネル群７０が得られる。
【０００５】
ここで、図３に示すように、フィーダリンクにおける各チャネルの周波数位置は、ビーム番号#bによって定まる周波数（Ｆb）と、チャネル番号#nによって定まる周波数（ｆn）の和（Ｆb＋ｆn）によって定義される。このとき、地球基地局がユーザ局とのリンクを確立する（ユーザ局の送信した変調波（ベースバンド信号）を復調する）ためには、フィーダリンクの信号にビーム番号#bとチャネル番号#nに対応した周波数変換（Ｆb＋ｆn）を行い、復調対象のチャネルをベースバンド信号に変換する必要がある。なお、実際の構成では、復調対象のチャネルを、復調器に中間周波数帯（IF：Intermediate Frequency）で入力しなければならない場合もあるが、以下では説明を容易にするために、チャネルの復調はベースバンドで行われると仮定して説明する。
【０００６】
図４は、従来技術の地球基地局における受信機構成を示したものである。受信機１１は、周波数変換器１２、チャネルを抽出するローパスフィルター１３、およびベースバンド信号処理部１４からなる。この周波数変換器１２に、適切な周波数変換量（Ｆb＋ｆn）を与えることによって、チャネル#nのベースバンド信号が得られるため、ユーザ局と地球基地局は任意の変調方式を用いてデータのやり取りを実現することができる。つまり、ユーザ局と地球基地局の通信リンクの確立には、地球基地局においてユーザ局の位置する「ビーム」とユーザ局の使用する「チャネル」の２種類の情報が必要とされる。
【０００７】
ユーザ局と地球基地局間の通信では、ユーザ局の位置登録および地球基地局によるダイナミックチャネルアサインの制御が適用される（下記の非特許文献２参照）。位置登録の制御では、フォワードリンクにおいて地球基地局が各ビームに同報信号（報知チャネル）を送信し、ユーザ局が受信レベルの最も高いビームを選択し、その選択結果を地球基地局に通知する処理が行われる。また、ダイナミックチャネルアサインの制御では、通信要求毎に、地球基地局がユーザ局に空きチャネルを通信チャネルとして割り当てる制御が行われる。これらの制御により、従来技術において地球基地局は、リンク確立に必要な情報（ビーム番号とチャネル番号）を得ることができる。なお、ユーザ局がランダムアクセスを行う場合、ビーム毎に所定のチャネルが用いられるため、基地局においてリンク確立に必要な情報は既知となる。
【０００８】
図５は、ビーム#bが形成するエリアに在圏するユーザ局Ａと地球基地局間のリターンリンクにおける通信リンクの確立手順を示したものである。具体的には、下記の▲１▼から▲６▼の手順によって、ユーザ局と地球地局間の通信リンクが確立する（下記の▲１▼から▲６▼の番号は、図５内の番号と一致する）。
【０００９】
▲１▼ユーザ局Ａが、自分の在圏するエリアのビーム番号（#b）を地球基地局に通知（位置登録）する。
【００１０】
▲２▼ユーザ局Ａの通信要求に応じて、地球基地局がダイナミックチャネルアサインによって、チャネル#nをユーザ局Ａに割り当てる。
【００１１】
▲３▼ユーザ局Ａがチャネル#nを用いてデータを送信する。
【００１２】
▲４▼ユーザ局の送信したチャネルが、衛星中継器によってフィーダリンクに中継される。
【００１３】
▲５▼地球基地局は、▲１▼で通知されたビーム番号#bと▲２▼で割り当てたチャネル番号#nを用いて、周波数変換量（Ｆb＋ｆn）を算出し、受信したフィーダリンクの信号を周波数変換する。
【００１４】
▲６▼ローパスフィルターによってベースバンド信号を抽出し、復調処理を行う。
【００１５】
ここで、サービスリンクの各ビームにおいて周波数の繰り返しは行われない（即ち、周波数が共有される）ことから、干渉を防止するため、通信に使用されているチャネルは他のユーザ局によって使用されない（図５では「使用不可チャネル」と表記）。また、フィーダリンク上には、番号#nを持つチャネルがビーム数分（Ｂ個）だけ存在するが、上述のように、実際のデータの伝達に使用されるのは１個のチャネルだけである（図５では「通信中チャネル」と表記）。そのため、フィーダリンク上において、通信中のチャネルと同一のチャネル番号を持つ他のビームのチャネルは、通信中チャネルによるデータの伝達が継続する間、全く使われることがない（図５では「非通信中チャネル」と表記）。
【００１６】
図６は、サービスリンクにおける４つのビームに関するアンテナ利得の等高線グラフ（以下「アンテナコンタ」という）の一例を示したものである。なお、この図６では、各ビームの最大利得を基準としたアンテナ利得の相対値を１dB間隔の等高線によって「−１０dB」まで描いたものが、４ビーム分重複して表示されている。図６より、サービスリンクのビームがカバーする範囲は、受信利得を減衰させながら、非常に広範囲に広がっていることがわかる。図８は、あるユーザＢが図７に示される位置にある場合、ユーザ局Ｂがチャネル#nで送信した変調信号を、フィーダリンク上で観測したものである。図７では、実線の円によって各ビームの形成するエリアが表されている。また、破線の円によって、ユーザ局Ｂの位置における各ビームのアンテナ利得が各ビームの最大利得に対する相対値として表され、ビーム#1と#2では「−４dB」、ビーム#3では「−８dB」、ビーム#4では「−２０dB」になると仮定する。このとき、図８に示されるように、ユーザ局Ｂがチャネル#nで信号を送信した場合、フィーダリンクでは、各ビームのチャネル#nにおいてアンテナ利得に応じた電力を有する変調信号が得られる。つまり、使用されていない非通信中チャネルにおいても、通信中チャネルと同一の変調信号が現れることとなる。
【００１７】
【非特許文献１】
K. Furukawa, Y. Nishi, H. Kondo, T. Ueda, Y. Yasuda, "N-STAR Mobile Communications System," GLOBECOM '96, pp.390-395, 1996
【非特許文献２】
ARIB STD-T49 Ｓバンドを用いる国内移動衛星システム標準規格
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの変調信号のうち、実際に復調されるのは、ユーザ局から通知されたビームに対応する信号だけである。例えば、ユーザ局Ｂがビーム１に在圏していると仮定すると、ビーム#1のチャネル#nの信号が通信中チャネルとして復調に用いられ、非通信チャネルとなるビーム２、３、４のチャネル#nの信号は、地球基地局において破棄され、復調処理に対して何ら寄与することはない。
【００１９】
このような非通信中チャネルの存在は、チャネルが空きチャネルの場合にそのチャネルを全てのビームに対して割当て（ダイナミックチャネルアサイン）可能にするために確保されたものである。しかし、あるチャネルが通信中の状態では、（Ｂ−１）個の非通信中チャネルが生じてしまう。ここで、衛星中継器がスルーリピータ型であることを考慮すると、衛星中継器は非通信中チャネルを通信中チャネルと共に地球基地局に常に送信する。そのため、復調処理に何ら寄与しない非通信中チャネルの中継に要する電力消費によって、衛星中継器の電力使用効率が低下してしまう。
【００２０】
また、衛星中継器の電力利用効率の低下と同時に、フィーダリンクにおける非通信中チャネルが占有する周波数帯域の存在によって、フィーダリンクの周波数利用効率が低下してしまう。一般的に衛星中継器の消費電力には厳しい制限があることを考慮すると、衛星中継器の電力利用効率の低下は重大な問題である。さらに、非通信中チャネルの数はビーム数に比例するため、通信速度の高速化を実現するためにビーム数を増加した場合、これらの問題はますます深刻になる。
【００２１】
このときビーム数を増加させることによって個々のビーム半径が小さくなると、通信中のユーザ局がビーム間を移動（ハンドオーバ）する頻度が高まる。特に、高速に移動する航空機などへのサービスを想定すると、シームレスなハンドオーバの実現が期待される。従来技術では、ユーザ局がハンドオーバ前後で同一番号のチャネルを継続して使用する場合、ユーザ局はハンドオーバ後のビーム番号を地球基地局に通知（位置登録）し、地球基地局では、そのビーム番号に応じて周波数変換量Ｆbを変更する必要がある。また、ユーザ局がハンドオーバ前後で異なるチャネル番号のチャネルを使用する場合には、地球基地局はチャネルの再割り当てを行い、そのチャネル番号に応じて周波数変換量ｆnを変更する必要がある。つまり、従来技術ではハンドオーバ時に地球基地局において、前述のリンク確立に必要な情報を更新し、適切な周波数変換を行うという一連の制御が必要であった。
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、衛星中継器の電力利用効率およびフィーダリンクの周波数利用効率を向上させること、並びに、ユーザ局が通信中にビーム間をハンドオーバする場合に必要となる制御負担を軽減させ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る地球基地局は、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局であって、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る移動衛星通信システムは、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムであり、前記地球基地局は、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する構成とされた移動衛星通信システムであって、前記地球基地局が、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段とを備えたことを特徴とする。なお、上記の衛星中継器は、スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器により構成することができる。
【００２５】
更に、本発明に係る信号処理方法は、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局における信号処理方法であって、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配工程と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換工程と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング工程と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング工程にて取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
これらの発明では、移動衛星通信システムにて、複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を複数のビームで共用する構成とされ、複数のユーザ局から衛星中継器へ送信された信号が、当該衛星中継器から地球基地局へ中継される。地球基地局では、当該衛星中継器の中継によって、複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、ビームの数と同一数の信号に分配する。そして、分配された各々の信号を予め決められた情報に基づいて周波数変換し、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局の送信した変調波を取り出し（フィルタリングし）、さらに、フィルタリング後の各々の信号を１つに合成し復調する。
【００２７】
このように衛星中継器から地球基地局へのリンク（フィーダリンク）において、複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号が伝送されるが、地球基地局では、当該信号をビームの数と同一数の信号に分配した後、各信号を予め決められた情報に基づいて周波数変換し、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局の送信した変調波を取り出し（フィルタリングし）、さらに、フィルタリング後の各々の信号を１つに合成し復調することができる。これにより、従来は重複して使われることのなかった「異なる周波数帯域での同一のチャネル」を利用した信号から、各ユーザ局の送信した信号を合成し復調することができる。このため、地球基地局における受信信号の信号電力対雑音電力比が改善し、衛星中継器の電力利用効率の向上と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。
【００２８】
なお、周波数変換手段は、ユーザ局に割り当てられたチャネルの周波数又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルの周波数に基づいて、分配された各々の信号を周波数変換する構成とすることが望ましい。この場合、ユーザ局から衛星中継器経由で地球基地局までの通信リンクの確立にあたり、地球基地局の周波数変換手段による周波数変換処理の変換量はチャネルの周波数だけで決定されるため、地球基地局は、ユーザ局の位置するビームを知る必要がない。そのため、ユーザ局が複数のビーム間を移動したとしても、チャネル番号が一定であれば、従来は必要であった周波数変換量の制御を行うことなく、上記の通信リンクを継続的に確立することができ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
【００３０】
図９には、本実施形態における地球基地局の受信機１１の構成を示したものである。この図９に示すように、受信機１１は、受信したフィーダリンクの信号を分配する分配器（DIVIDER）１５と、複数（ビーム数であるＢ個）の周波数変換器（Frequency Converter）１２と、各周波数変換器１２に対応したローパスフィルター１３と、ベースバンド信号処理部１４とを含んで構成される。
【００３１】
この受信機１１では、受信したフィーダリンクの信号はまず、分配器１５によってビーム数Ｂ個のブランチ（番号#β:βは１からＢまでの整数）に分けられ、ブランチ毎に周波数変換器１２によって周波数変換を施される。ブランチ#βに与える周波数変換量としては、図３で示されるように、ビーム#βに対応する周波数（Ｆβ）と、復調対象とするチャネル#nに対応する周波数（ｆn）の和（Ｆβ＋ｆn）が採用される。この周波数変換の結果に対し、チャネルを抽出するフィルタリングがローパスフィルター１３によって行われ、ビーム#bにおけるチャネル#nがブランチ#βの出力にベースバンド信号として得られる。このようにして得られるＢ個のチャネル#nの信号は、ベースバンド信号処理部１４に入力され、ベースバンド信号処理部１４によって合成処理と復調処理が行われる。
【００３２】
図１０は、本実施形態において、ビーム#bが形成するエリアに在圏するユーザ局Ａと地球基地局間のリターンリンクにおける通信リンクの確立手順を示したものであり、図１３は、同手順を表した流れ図である。具体的には、下記の▲１▼から▲６▼の手順によって、ユーザ局と地球基地局間の通信リンクが確立する（下記の▲１▼から▲６▼の番号は図１０及び図１３内の番号と一致する）。
【００３３】
▲１▼ユーザ局Ａの通信要求に応じて、地球基地局がダイナミックチャネルアサインによって、チャネル#nをユーザ局Ａに割り当てる。
【００３４】
▲２▼ユーザ局Ａがチャネル#nを用いてデータを送信する。
【００３５】
▲３▼ユーザ局の送信したチャネルが、衛星中継器によってフィーダリンクに中継される。
【００３６】
▲４▼地球基地局が、受信信号をビーム数分に分波する。
【００３７】
▲５▼地球基地局が、ブランチ番号#bと▲２▼で割り当てたチャネル番号#nを用いて、周波数変換量（Ｆβ＋ｆn）を算出し、受信したフィーダリンクの信号を周波数変換する。
【００３８】
▲６▼地球基地局が、ローパスフィルターによってベースバンド信号を抽出し、合成と復調処理を行う。
【００３９】
なお、手順▲１▼ではダイナミックチャネルアサインを仮定したが、ランダムアクセス用として、チャネル番号#nが地球基地局において既知である場合もある。図８に示したように、サービスリンクの各ビームにおいて周波数帯域が共用されることと、衛星中継器がスルーリピータ型であることから、各ブランチのローパスフィルターからの出力には、ユーザ局の送信した変調信号が、ユーザ局の位置におけるアンテナ利得に応じて現れる。
【００４０】
ベースバンド信号処理部における合成方法には、検波前合成法と検波後合成法があり、それぞれについて、等利得合成、最大比合成などの合成手法がある。本構成では、衛星中継器がスルーリピータ型であり、原理的にユーザ送信信号には何ら変化を加えないため、いずれの合成方法を適用することも可能である。
【００４１】
合成方法の具体例として、最大比合成を適用した場合を取り上げる。最大比合成法の適用効果は、文献「"ディジタル無線通信の変復調"、斉藤洋一著、社団法人電子情報通信学会」によれば、下式によって表される。
【００４２】
【数１】
【００４３】
ここで、ブランチ数Ｍを、実施形態におけるビーム数Ｂとし、ブランチｋを実施形態におけるビーム番号ｂと置き換えることにより、本実施形態における効果を定量的に算出することができる。
【００４４】
サービスエリアにおいて、経度ｘと緯度ｙの位置でのアンテナゲインＧ（ｘ，ｙ）を次式によって表現する。
【００４５】
【数２】
式２において、アンテナゲインが最大ｇmaxとなる場合の信号電力対雑音電力比を（C/N）maxとすると、経度ｘと緯度ｙに位置する移動局が送信した信号を地球基地局が受信した際の信号電力対雑音電力比（C/N）kは、次式で表現することができる。
【００４６】
【数３】
【００４７】
ゆえに、最大比合成を適用した場合、ある経度ｘと緯度ｙに位置する移動局が送信した信号の信号電力対雑音電力比（C/N）result（ｘ，ｙ）は、次式で表すことができる。
【００４８】
【数４】
【００４９】
一方、従来技術では、実際に通信を行うビームは位置登録制御によって選択される。先述のように、位置登録では、フォワードリンクの報知チャネルの受信レベルが最も大きくなるビームを選択する。ここでは、簡単のため、衛星基地局のサービスリンク側のアンテナが送受信で共用され、送受信でアンテナパターンが等しいと仮定する。その場合、ある経度ｘと緯度ｙに位置する移動局が選択するビームは、アンテナ利得δb（ｘ，ｙ）が最も大きくなるビームｂである。従って、従来技術における信号電力対雑音電力比（C/N）Conventional（ｘ，ｙ）は次式によって表現することができる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
図１１は、ビーム数Ｂを４としたときに従来技術を用いた場合（式５）の信号電力対雑音電力比の分布を示し、図１２は、同じくビーム数Ｂを４としたとき、本実施形態として最大比合成法を適用した場合の信号電力対雑音電力比の分布を示す。なお、これらの分布図の導出には、図６に示すアンテナパターンを用いた。図１１と図１２より、従来技術と比較して、本実施形態ではサービスリンク全体にわたって信号電力対雑音電力比が向上していることがわかる。例えば、経度０、緯度０では、図１１に示す「−２」から、図１２に示す「＋１」に改善している。
【００５２】
衛星通信では（特に静止衛星による衛星通信では）電波伝搬距離が長いため、信号電力の減衰（基本的に伝搬距離の２乗に反比例する）が非常に大きい。そのため、信号電力対雑音電力比の向上は、衛星通信における通信品質の向上に非常に効果的である。よって、従来技術において非通信チャネルとして無駄となっていた信号を利用することによって、リターンリンクにおける通信品質を改善することができる。
【００５３】
また、従来方式におけるサービスエリアとして、アンテナ利得が−５dBとなる範囲を仮定すると、本実施形態においてアンテナ利得が−５dBとなるエリアは、従来技術よりも広くなる。従って、本実施形態を用いることにより、従来技術と比較してサービスエリアを拡大させることができる。
【００５４】
サービスリンクのビーム数Ｂが大きくなれば、地上基地局で合成できる信号数も大きくなるので、合成による効果をより多く得られる。ただし、全ての信号を合成することは必ずしも必要ではなく、例えば、受信電力の大きさ、あるいは、信号電力対干渉電力比など、各チャネルの通信品質を表す指標を算出し、この値のうちの上位の幾つかだけ選択して合成処理を実施することもできる。この手法によって、地球基地局の装置規模の増大を抑えながら、合成処理の効果を最大限に引き出すことができる。
【００５５】
また、従来技術として各チャネルが周波数分割多重（FDMA）されている場合を取り上げたが、衛星がスルーリピータ型であるため、チャネルの多重化方法には制限はない。例えば、符号分割多重（CDMA）によるチャネルにも適用が可能である。
【００５６】
本実施形態によれば、上記周波数（Ｆβ）はブランチ番号#βによって一意に定まる値である。また、地球基地局によるダイナミックチャネルアサインが行われること、あるいは、ランダムアクセス用として所定のチャネルを割り当てることを前提とすれば、地球基地局において周波数（ｆn）を得ることは容易である。このため、地球基地局においてチャネルに対応する周波数変換量（ｆn）を制御するだけで、ユーザ局と地球基地局間の通信リンクを確立することができる。よって、本実施形態は従来方式とは異なり、リターンリンクの確立のため、ユーザ局の位置するビームを地球基地局が知る必要がない。つまり、本実施形態では、複数ビームが単一ビームとしてみなされ、リターンリンクにおけるハンドオーバ制御を行う必要がない。そのため、ユーザ局がサービスエリア内を移動したとしても、通信リンクを保持することが容易になり、ユーザ局のモビリティの向上を期待できる。
【００５７】
また、通信速度の高速化のためにビーム半径を小さくした場合、従来技術では、ハンドオーバに必要な制御を行う頻度が高まる。しかし、本実施形態では、ビーム数が大きくなっても、ハンドオーバに必要な制御量が増えることはない。ここで、移動衛星通信サービスが高速に移動する航空機へ提供されることを考慮すると、モビリティの向上は大きなメリットとなる。
【００５８】
静止衛星に対しては常に姿勢制御が行われているが、その姿勢の揺らぎを完全に取り除くことは不可能である。このような衛星中継器の姿勢の揺らぎに起因してビームの指向方向が移動するため、サービスエリアは、数十km程度、周期的に移動する。よって、エリアの境界に位置するユーザ局は、たとえ固定局であったとしても、エリア間を移動することになる。しかしながら、このようなエリアの移動は、相対的にみれば、先述のユーザ局の移動によるハンドオーバと等価である。そのため、本実施形態によれば、このような衛星中継器の揺らぎによってサービスリンクが移動したとしても、ハンドオーバの制御が必要ないため、安定した通信リンクを提供することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来は重複して使われることのなかった「異なる周波数帯域での同一のチャネル」を利用した信号から、各ユーザ局の送信した信号を合成し復調することができる。このため、地球基地局における受信信号の信号電力対雑音電力比が改善し、衛星中継器の電力利用効率の向上と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。
【００６０】
また、ユーザ局から衛星中継器経由で地球基地局までの通信リンクの確立にあたり、地球基地局の周波数変換手段による周波数変換処理の変換量はチャネルの周波数だけで決定されるため、地球基地局は、ユーザ局の位置するビームを知る必要がない。そのため、ユーザ局が複数のビーム間を移動したとしても、チャネル番号が一定であれば、従来は必要であった周波数変換量の制御を行うことなく、上記の通信リンクを継続的に確立することができ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルチビーム衛星中継器を用いた移動衛星通信システムの全体構成図である。
【図２】サービスリンクとフィーダリンク間におけるチャネルの中継処理を説明するための図である。
【図３】フィーダリンクにおけるビーム#bのチャネル#nの周波数位置を説明するための図である。
【図４】従来技術における地球基地局の受信機構成図である。
【図５】従来技術におけるリターンリンクでの処理を示す図である。
【図６】サービスリンクにおける４つのビームに関するアンテナコンタである。
【図７】従来例におけるユーザ局Ｂの位置を示す図である。
【図８】フィーダリンクにおいて観測された図７のユーザ局Ｂの変調信号を示すグラフである。
【図９】発明の実施形態における地球基地局の受信機構成図である。
【図１０】発明の実施形態におけるリターンリンクでの処理を示す図である。
【図１１】従来技術における信号電力対雑音電力比の分布図である。
【図１２】発明の実施形態における信号電力対雑音電力比の分布図である。
【図１３】図１０の処理内容を示す流れ図である。
【符号の説明】
１…衛星通信システム、１０…地球基地局、１１…受信機、１２…周波数変換器、１３…ローパスフィルター、１４…ベースバンド信号処理部、１５…分配器、２０…マルチビーム衛星中継器、３０…ユーザ局、４０…サービスリンク、５０…フィーダリンク、６０…エリア、７０…チャネル群。
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動衛星通信システムにてユーザ局から衛星中継器の中継を経て信号を受信して復調する地球基地局、当該移動衛星通信システム、及び当該地球基地局における信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すスルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器（以下単に「衛星中継器」という）２０を用いる衛星通信システム１は、地球基地局１０と衛星中継器２０とユーザ局３０から構成されている。なお、この明細書では、以下、ユーザ局３０と衛星中継器２０との間の通信回線４０を「サービスリンク」、衛星中継器２０と地球基地局１０との間の通信回線５０を「フィーダリンク」と呼ぶ。また、サービスリンクでは、衛星中継器２０が形成する複数のマルチビームによって複数のエリア６０が形成される。この明細書では、以下、地球基地局１０からユーザ局３０への方向の通信を「フォワードリンク」、一方、ユーザ局３０から地球基地局１０への方向の通信を「リターンリンク」と呼ぶ。
【０００３】
このような衛星通信システムの具体例として、日本で運用されている移動衛星通信システムが挙げられる（下記の非特許文献１参照）。このシステムでは、サービスリンクに４つのエリアを形成するスルーリピータ型の衛星中継器が用いられている。サービスリンクの各ビームではＳ帯（2.5/2.6GHz）における１５MHzの周波数帯域幅が共有される。一方、フィーダリンクでは、各ビームに対応する１５MHzの信号が周波数軸上にガードバンドを挿んで並べられ、Ｃ帯（6/4GHz）における単一の信号として伝送される。衛星中継器では中継信号に対してＣ帯とＳ帯間の周波数変換と電力増幅処理のみが施され、中継信号はユーザ局と地球基地局の間を透過的に中継される。
【０００４】
このような中継回線を介して、ユーザ局と地球基地局は、ある周波数帯域幅を持った信号（チャネル）を用いてデータのやり取りを行う。図２は、サービスリンクとフィーダリンク間におけるチャネルの中継処理を、周波数領域における信号の流れによって示したものである。ここで、チャネルは、サービスリンクにおいてＮ個存在し、全エリアで共通のチャネル番号#n（nは１〜Ｎの整数）によって識別されるものとして定義される。また、サービスリンクにおけるビーム数をＢとし、各ビームはビーム番号#b（bは１〜Ｂの整数）によって識別される。サービスリンクの各ビームにおけるＮ個のチャネルは衛星中継器によってフィーダリンクに中継され、フィーダリンク上では、各エリアに対応するＮ個のチャネルからなるＢ個のチャネル群７０が得られる。
【０００５】
ここで、図３に示すように、フィーダリンクにおける各チャネルの周波数位置は、ビーム番号#bによって定まる周波数（Ｆb）と、チャネル番号#nによって定まる周波数（ｆn）の和（Ｆb＋ｆn）によって定義される。このとき、地球基地局がユーザ局とのリンクを確立する（ユーザ局の送信した変調波（ベースバンド信号）を復調する）ためには、フィーダリンクの信号にビーム番号#bとチャネル番号#nに対応した周波数変換（Ｆb＋ｆn）を行い、復調対象のチャネルをベースバンド信号に変換する必要がある。なお、実際の構成では、復調対象のチャネルを、復調器に中間周波数帯（IF：Intermediate Frequency）で入力しなければならない場合もあるが、以下では説明を容易にするために、チャネルの復調はベースバンドで行われると仮定して説明する。
【０００６】
図４は、従来技術の地球基地局における受信機構成を示したものである。受信機１１は、周波数変換器１２、チャネルを抽出するローパスフィルター１３、およびベースバンド信号処理部１４からなる。この周波数変換器１２に、適切な周波数変換量（Ｆb＋ｆn）を与えることによって、チャネル#nのベースバンド信号が得られるため、ユーザ局と地球基地局は任意の変調方式を用いてデータのやり取りを実現することができる。つまり、ユーザ局と地球基地局の通信リンクの確立には、地球基地局においてユーザ局の位置する「ビーム」とユーザ局の使用する「チャネル」の２種類の情報が必要とされる。
【０００７】
ユーザ局と地球基地局間の通信では、ユーザ局の位置登録および地球基地局によるダイナミックチャネルアサインの制御が適用される（下記の非特許文献２参照）。位置登録の制御では、フォワードリンクにおいて地球基地局が各ビームに同報信号（報知チャネル）を送信し、ユーザ局が受信レベルの最も高いビームを選択し、その選択結果を地球基地局に通知する処理が行われる。また、ダイナミックチャネルアサインの制御では、通信要求毎に、地球基地局がユーザ局に空きチャネルを通信チャネルとして割り当てる制御が行われる。これらの制御により、従来技術において地球基地局は、リンク確立に必要な情報（ビーム番号とチャネル番号）を得ることができる。なお、ユーザ局がランダムアクセスを行う場合、ビーム毎に所定のチャネルが用いられるため、基地局においてリンク確立に必要な情報は既知となる。
【０００８】
図５は、ビーム#bが形成するエリアに在圏するユーザ局Ａと地球基地局間のリターンリンクにおける通信リンクの確立手順を示したものである。具体的には、下記の▲１▼から▲６▼の手順によって、ユーザ局と地球地局間の通信リンクが確立する（下記の▲１▼から▲６▼の番号は、図５内の番号と一致する）。
【０００９】
▲１▼ユーザ局Ａが、自分の在圏するエリアのビーム番号（#b）を地球基地局に通知（位置登録）する。
【００１０】
▲２▼ユーザ局Ａの通信要求に応じて、地球基地局がダイナミックチャネルアサインによって、チャネル#nをユーザ局Ａに割り当てる。
【００１１】
▲３▼ユーザ局Ａがチャネル#nを用いてデータを送信する。
【００１２】
▲４▼ユーザ局の送信したチャネルが、衛星中継器によってフィーダリンクに中継される。
【００１３】
▲５▼地球基地局は、▲１▼で通知されたビーム番号#bと▲２▼で割り当てたチャネル番号#nを用いて、周波数変換量（Ｆb＋ｆn）を算出し、受信したフィーダリンクの信号を周波数変換する。
【００１４】
▲６▼ローパスフィルターによってベースバンド信号を抽出し、復調処理を行う。
【００１５】
ここで、サービスリンクの各ビームにおいて周波数の繰り返しは行われない（即ち、周波数が共有される）ことから、干渉を防止するため、通信に使用されているチャネルは他のユーザ局によって使用されない（図５では「使用不可チャネル」と表記）。また、フィーダリンク上には、番号#nを持つチャネルがビーム数分（Ｂ個）だけ存在するが、上述のように、実際のデータの伝達に使用されるのは１個のチャネルだけである（図５では「通信中チャネル」と表記）。そのため、フィーダリンク上において、通信中のチャネルと同一のチャネル番号を持つ他のビームのチャネルは、通信中チャネルによるデータの伝達が継続する間、全く使われることがない（図５では「非通信中チャネル」と表記）。
【００１６】
図６は、サービスリンクにおける４つのビームに関するアンテナ利得の等高線グラフ（以下「アンテナコンタ」という）の一例を示したものである。なお、この図６では、各ビームの最大利得を基準としたアンテナ利得の相対値を１dB間隔の等高線によって「−１０dB」まで描いたものが、４ビーム分重複して表示されている。図６より、サービスリンクのビームがカバーする範囲は、受信利得を減衰させながら、非常に広範囲に広がっていることがわかる。図８は、あるユーザＢが図７に示される位置にある場合、ユーザ局Ｂがチャネル#nで送信した変調信号を、フィーダリンク上で観測したものである。図７では、実線の円によって各ビームの形成するエリアが表されている。また、破線の円によって、ユーザ局Ｂの位置における各ビームのアンテナ利得が各ビームの最大利得に対する相対値として表され、ビーム#1と#2では「−４dB」、ビーム#3では「−８dB」、ビーム#4では「−２０dB」になると仮定する。このとき、図８に示されるように、ユーザ局Ｂがチャネル#nで信号を送信した場合、フィーダリンクでは、各ビームのチャネル#nにおいてアンテナ利得に応じた電力を有する変調信号が得られる。つまり、使用されていない非通信中チャネルにおいても、通信中チャネルと同一の変調信号が現れることとなる。
【００１７】
【非特許文献１】
K. Furukawa, Y. Nishi, H. Kondo, T. Ueda, Y. Yasuda, "N-STAR Mobile Communications System," GLOBECOM '96, pp.390-395, 1996
【非特許文献２】
ARIB STD-T49 Ｓバンドを用いる国内移動衛星システム標準規格
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの変調信号のうち、実際に復調されるのは、ユーザ局から通知されたビームに対応する信号だけである。例えば、ユーザ局Ｂがビーム１に在圏していると仮定すると、ビーム#1のチャネル#nの信号が通信中チャネルとして復調に用いられ、非通信チャネルとなるビーム２、３、４のチャネル#nの信号は、地球基地局において破棄され、復調処理に対して何ら寄与することはない。
【００１９】
このような非通信中チャネルの存在は、チャネルが空きチャネルの場合にそのチャネルを全てのビームに対して割当て（ダイナミックチャネルアサイン）可能にするために確保されたものである。しかし、あるチャネルが通信中の状態では、（Ｂ−１）個の非通信中チャネルが生じてしまう。ここで、衛星中継器がスルーリピータ型であることを考慮すると、衛星中継器は非通信中チャネルを通信中チャネルと共に地球基地局に常に送信する。そのため、復調処理に何ら寄与しない非通信中チャネルの中継に要する電力消費によって、衛星中継器の電力使用効率が低下してしまう。
【００２０】
また、衛星中継器の電力利用効率の低下と同時に、フィーダリンクにおける非通信中チャネルが占有する周波数帯域の存在によって、フィーダリンクの周波数利用効率が低下してしまう。一般的に衛星中継器の消費電力には厳しい制限があることを考慮すると、衛星中継器の電力利用効率の低下は重大な問題である。さらに、非通信中チャネルの数はビーム数に比例するため、通信速度の高速化を実現するためにビーム数を増加した場合、これらの問題はますます深刻になる。
【００２１】
このときビーム数を増加させることによって個々のビーム半径が小さくなると、通信中のユーザ局がビーム間を移動（ハンドオーバ）する頻度が高まる。特に、高速に移動する航空機などへのサービスを想定すると、シームレスなハンドオーバの実現が期待される。従来技術では、ユーザ局がハンドオーバ前後で同一番号のチャネルを継続して使用する場合、ユーザ局はハンドオーバ後のビーム番号を地球基地局に通知（位置登録）し、地球基地局では、そのビーム番号に応じて周波数変換量Ｆbを変更する必要がある。また、ユーザ局がハンドオーバ前後で異なるチャネル番号のチャネルを使用する場合には、地球基地局はチャネルの再割り当てを行い、そのチャネル番号に応じて周波数変換量ｆnを変更する必要がある。つまり、従来技術ではハンドオーバ時に地球基地局において、前述のリンク確立に必要な情報を更新し、適切な周波数変換を行うという一連の制御が必要であった。
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、本発明の目的は、衛星中継器の電力利用効率およびフィーダリンクの周波数利用効率を向上させること、並びに、ユーザ局が通信中にビーム間をハンドオーバする場合に必要となる制御負担を軽減させ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る地球基地局は、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局であって、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る移動衛星通信システムは、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムであり、前記地球基地局は、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する構成とされた移動衛星通信システムであって、前記地球基地局が、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段とを備えたことを特徴とする。なお、上記の衛星中継器は、スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器により構成することができる。
【００２５】
更に、本発明に係る信号処理方法は、衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局における信号処理方法であって、当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配工程と、ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換工程と、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング工程と、各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング工程にて取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調工程とを有することを特徴とする。
【００２６】
これらの発明では、移動衛星通信システムにて、複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を複数のビームで共用する構成とされ、複数のユーザ局から衛星中継器へ送信された信号が、当該衛星中継器から地球基地局へ中継される。地球基地局では、当該衛星中継器の中継によって、複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、ビームの数と同一数の信号に分配する。そして、分配された各々の信号を予め決められた情報に基づいて周波数変換し、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局の送信した変調波を取り出し（フィルタリングし）、さらに、フィルタリング後の各々の信号を１つに合成し復調する。
【００２７】
このように衛星中継器から地球基地局へのリンク（フィーダリンク）において、複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号が伝送されるが、地球基地局では、当該信号をビームの数と同一数の信号に分配した後、各信号を予め決められた情報に基づいて周波数変換し、周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局の送信した変調波を取り出し（フィルタリングし）、さらに、フィルタリング後の各々の信号を１つに合成し復調することができる。これにより、従来は重複して使われることのなかった「異なる周波数帯域での同一のチャネル」を利用した信号から、各ユーザ局の送信した信号を合成し復調することができる。このため、地球基地局における受信信号の信号電力対雑音電力比が改善し、衛星中継器の電力利用効率の向上と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。
【００２８】
なお、周波数変換手段は、ユーザ局に割り当てられたチャネルの周波数又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルの周波数に基づいて、分配された各々の信号を周波数変換する構成とすることが望ましい。この場合、ユーザ局から衛星中継器経由で地球基地局までの通信リンクの確立にあたり、地球基地局の周波数変換手段による周波数変換処理の変換量はチャネルの周波数だけで決定されるため、地球基地局は、ユーザ局の位置するビームを知る必要がない。そのため、ユーザ局が複数のビーム間を移動したとしても、チャネル番号が一定であれば、従来は必要であった周波数変換量の制御を行うことなく、上記の通信リンクを継続的に確立することができ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
【００３０】
図９には、本実施形態における地球基地局の受信機１１の構成を示したものである。この図９に示すように、受信機１１は、受信したフィーダリンクの信号を分配する分配器（DIVIDER）１５と、複数（ビーム数であるＢ個）の周波数変換器（Frequency Converter）１２と、各周波数変換器１２に対応したローパスフィルター１３と、ベースバンド信号処理部１４とを含んで構成される。
【００３１】
この受信機１１では、受信したフィーダリンクの信号はまず、分配器１５によってビーム数Ｂ個のブランチ（番号#β:βは１からＢまでの整数）に分けられ、ブランチ毎に周波数変換器１２によって周波数変換を施される。ブランチ#βに与える周波数変換量としては、図３で示されるように、ビーム#βに対応する周波数（Ｆβ）と、復調対象とするチャネル#nに対応する周波数（ｆn）の和（Ｆβ＋ｆn）が採用される。この周波数変換の結果に対し、チャネルを抽出するフィルタリングがローパスフィルター１３によって行われ、ビーム#bにおけるチャネル#nがブランチ#βの出力にベースバンド信号として得られる。このようにして得られるＢ個のチャネル#nの信号は、ベースバンド信号処理部１４に入力され、ベースバンド信号処理部１４によって合成処理と復調処理が行われる。
【００３２】
図１０は、本実施形態において、ビーム#bが形成するエリアに在圏するユーザ局Ａと地球基地局間のリターンリンクにおける通信リンクの確立手順を示したものであり、図１３は、同手順を表した流れ図である。具体的には、下記の▲１▼から▲６▼の手順によって、ユーザ局と地球基地局間の通信リンクが確立する（下記の▲１▼から▲６▼の番号は図１０及び図１３内の番号と一致する）。
【００３３】
▲１▼ユーザ局Ａの通信要求に応じて、地球基地局がダイナミックチャネルアサインによって、チャネル#nをユーザ局Ａに割り当てる。
【００３４】
▲２▼ユーザ局Ａがチャネル#nを用いてデータを送信する。
【００３５】
▲３▼ユーザ局の送信したチャネルが、衛星中継器によってフィーダリンクに中継される。
【００３６】
▲４▼地球基地局が、受信信号をビーム数分に分波する。
【００３７】
▲５▼地球基地局が、ブランチ番号#bと▲２▼で割り当てたチャネル番号#nを用いて、周波数変換量（Ｆβ＋ｆn）を算出し、受信したフィーダリンクの信号を周波数変換する。
【００３８】
▲６▼地球基地局が、ローパスフィルターによってベースバンド信号を抽出し、合成と復調処理を行う。
【００３９】
なお、手順▲１▼ではダイナミックチャネルアサインを仮定したが、ランダムアクセス用として、チャネル番号#nが地球基地局において既知である場合もある。図８に示したように、サービスリンクの各ビームにおいて周波数帯域が共用されることと、衛星中継器がスルーリピータ型であることから、各ブランチのローパスフィルターからの出力には、ユーザ局の送信した変調信号が、ユーザ局の位置におけるアンテナ利得に応じて現れる。
【００４０】
ベースバンド信号処理部における合成方法には、検波前合成法と検波後合成法があり、それぞれについて、等利得合成、最大比合成などの合成手法がある。本構成では、衛星中継器がスルーリピータ型であり、原理的にユーザ送信信号には何ら変化を加えないため、いずれの合成方法を適用することも可能である。
【００４１】
合成方法の具体例として、最大比合成を適用した場合を取り上げる。最大比合成法の適用効果は、文献「"ディジタル無線通信の変復調"、斉藤洋一著、社団法人電子情報通信学会」によれば、下式によって表される。
【００４２】
【数１】
ここで、ブランチ数Ｍを、実施形態におけるビーム数Ｂとし、ブランチｋを実施形態におけるビーム番号ｂと置き換えることにより、本実施形態における効果を定量的に算出することができる。
【００４４】
サービスエリアにおいて、経度ｘと緯度ｙの位置でのアンテナゲインＧ（ｘ，ｙ）を次式によって表現する。
【００４５】
【数２】
【００４６】
【数３】
ゆえに、最大比合成を適用した場合、ある経度ｘと緯度ｙに位置する移動局が送信した信号の信号電力対雑音電力比（C/N）result（ｘ，ｙ）は、次式で表すことができる。
【００４８】
【数４】
一方、従来技術では、実際に通信を行うビームは位置登録制御によって選択される。先述のように、位置登録では、フォワードリンクの報知チャネルの受信レベルが最も大きくなるビームを選択する。ここでは、簡単のため、衛星基地局のサービスリンク側のアンテナが送受信で共用され、送受信でアンテナパターンが等しいと仮定する。その場合、ある経度ｘと緯度ｙに位置する移動局が選択するビームは、アンテナ利得δb（ｘ，ｙ）が最も大きくなるビームｂである。従って、従来技術における信号電力対雑音電力比（C/N）Conventional（ｘ，ｙ）は次式によって表現することができる。
【００５０】
【数５】
図１１は、ビーム数Ｂを４としたときに従来技術を用いた場合（式５）の信号電力対雑音電力比の分布を示し、図１２は、同じくビーム数Ｂを４としたとき、本実施形態として最大比合成法を適用した場合の信号電力対雑音電力比の分布を示す。なお、これらの分布図の導出には、図６に示すアンテナパターンを用いた。図１１と図１２より、従来技術と比較して、本実施形態ではサービスリンク全体にわたって信号電力対雑音電力比が向上していることがわかる。例えば、経度０、緯度０では、図１１に示す「−２」から、図１２に示す「＋１」に改善している。
【００５２】
衛星通信では（特に静止衛星による衛星通信では）電波伝搬距離が長いため、信号電力の減衰（基本的に伝搬距離の２乗に反比例する）が非常に大きい。そのため、信号電力対雑音電力比の向上は、衛星通信における通信品質の向上に非常に効果的である。よって、従来技術において非通信チャネルとして無駄となっていた信号を利用することによって、リターンリンクにおける通信品質を改善することができる。
【００５３】
また、従来方式におけるサービスエリアとして、アンテナ利得が−５dBとなる範囲を仮定すると、本実施形態においてアンテナ利得が−５dBとなるエリアは、従来技術よりも広くなる。従って、本実施形態を用いることにより、従来技術と比較してサービスエリアを拡大させることができる。
【００５４】
サービスリンクのビーム数Ｂが大きくなれば、地上基地局で合成できる信号数も大きくなるので、合成による効果をより多く得られる。ただし、全ての信号を合成することは必ずしも必要ではなく、例えば、受信電力の大きさ、あるいは、信号電力対干渉電力比など、各チャネルの通信品質を表す指標を算出し、この値のうちの上位の幾つかだけ選択して合成処理を実施することもできる。この手法によって、地球基地局の装置規模の増大を抑えながら、合成処理の効果を最大限に引き出すことができる。
【００５５】
また、従来技術として各チャネルが周波数分割多重（FDMA）されている場合を取り上げたが、衛星がスルーリピータ型であるため、チャネルの多重化方法には制限はない。例えば、符号分割多重（CDMA）によるチャネルにも適用が可能である。
【００５６】
本実施形態によれば、上記周波数（Ｆβ）はブランチ番号#βによって一意に定まる値である。また、地球基地局によるダイナミックチャネルアサインが行われること、あるいは、ランダムアクセス用として所定のチャネルを割り当てることを前提とすれば、地球基地局において周波数（ｆn）を得ることは容易である。このため、地球基地局においてチャネルに対応する周波数変換量（ｆn）を制御するだけで、ユーザ局と地球基地局間の通信リンクを確立することができる。よって、本実施形態は従来方式とは異なり、リターンリンクの確立のため、ユーザ局の位置するビームを地球基地局が知る必要がない。つまり、本実施形態では、複数ビームが単一ビームとしてみなされ、リターンリンクにおけるハンドオーバ制御を行う必要がない。そのため、ユーザ局がサービスエリア内を移動したとしても、通信リンクを保持することが容易になり、ユーザ局のモビリティの向上を期待できる。
【００５７】
また、通信速度の高速化のためにビーム半径を小さくした場合、従来技術では、ハンドオーバに必要な制御を行う頻度が高まる。しかし、本実施形態では、ビーム数が大きくなっても、ハンドオーバに必要な制御量が増えることはない。ここで、移動衛星通信サービスが高速に移動する航空機へ提供されることを考慮すると、モビリティの向上は大きなメリットとなる。
【００５８】
静止衛星に対しては常に姿勢制御が行われているが、その姿勢の揺らぎを完全に取り除くことは不可能である。このような衛星中継器の姿勢の揺らぎに起因してビームの指向方向が移動するため、サービスエリアは、数十km程度、周期的に移動する。よって、エリアの境界に位置するユーザ局は、たとえ固定局であったとしても、エリア間を移動することになる。しかしながら、このようなエリアの移動は、相対的にみれば、先述のユーザ局の移動によるハンドオーバと等価である。そのため、本実施形態によれば、このような衛星中継器の揺らぎによってサービスリンクが移動したとしても、ハンドオーバの制御が必要ないため、安定した通信リンクを提供することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来は重複して使われることのなかった「異なる周波数帯域での同一のチャネル」を利用した信号から、各ユーザ局の送信した信号を合成し復調することができる。このため、地球基地局における受信信号の信号電力対雑音電力比が改善し、衛星中継器の電力利用効率の向上と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。
【００６０】
また、ユーザ局から衛星中継器経由で地球基地局までの通信リンクの確立にあたり、地球基地局の周波数変換手段による周波数変換処理の変換量はチャネルの周波数だけで決定されるため、地球基地局は、ユーザ局の位置するビームを知る必要がない。そのため、ユーザ局が複数のビーム間を移動したとしても、チャネル番号が一定であれば、従来は必要であった周波数変換量の制御を行うことなく、上記の通信リンクを継続的に確立することができ、ユーザ局のモビリティの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルチビーム衛星中継器を用いた移動衛星通信システムの全体構成図である。
【図２】サービスリンクとフィーダリンク間におけるチャネルの中継処理を説明するための図である。
【図３】フィーダリンクにおけるビーム#bのチャネル#nの周波数位置を説明するための図である。
【図４】従来技術における地球基地局の受信機構成図である。
【図５】従来技術におけるリターンリンクでの処理を示す図である。
【図６】サービスリンクにおける４つのビームに関するアンテナコンタである。
【図７】従来例におけるユーザ局Ｂの位置を示す図である。
【図８】フィーダリンクにおいて観測された図７のユーザ局Ｂの変調信号を示すグラフである。
【図９】発明の実施形態における地球基地局の受信機構成図である。
【図１０】発明の実施形態におけるリターンリンクでの処理を示す図である。
【図１１】従来技術における信号電力対雑音電力比の分布図である。
【図１２】発明の実施形態における信号電力対雑音電力比の分布図である。
【図１３】図１０の処理内容を示す流れ図である。
【符号の説明】
１…衛星通信システム、１０…地球基地局、１１…受信機、１２…周波数変換器、１３…ローパスフィルター、１４…ベースバンド信号処理部、１５…分配器、２０…マルチビーム衛星中継器、３０…ユーザ局、４０…サービスリンク、５０…フィーダリンク、６０…エリア、７０…チャネル群。
Claims (4)
- 衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局であって、
当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、
ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、
周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、
各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段と、
を備えた地球基地局。 - 衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムであり、前記地球基地局は、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する構成とされた移動衛星通信システムであって、
前記地球基地局が、
当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配手段と、
ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換手段と、
周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング手段と、
各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング手段により取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調手段とを備えた
ことを特徴とする移動衛星通信システム。 - 前記衛星中継器は、
スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器により構成されることを特徴とする請求項２に記載の移動衛星通信システム。 - 衛星中継器と地球基地局と複数のユーザ局とを含んで構成された移動衛星通信システムにて、前記衛星中継器が複数のサービスエリアを形成するために前記複数のユーザ局の位 置する地球上の領域へ向けて射出する複数のビームについて複数のチャネルに分割された所定幅の周波数帯域を前記複数のビームで共用する構成とされ複数のユーザ局の各々が互いに重複しないユニークなチャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を、当該衛星中継器から受信して復調する地球基地局における信号処理方法であって、
当該衛星中継器が中継において前記地球基地局へ送信した信号であって、前記複数のビームに対応し互いに重複しない複数の周波数帯域を利用し且つ異なる周波数帯域での同一のチャネルを利用する構成とされた信号を、前記利用した複数の周波数帯域ごとに互いに分離するように前記ビームの数と同一数の信号に分配する分配工程と、
ユーザ局が前記信号送信時に用いたチャネル又は予めユーザ局と地球基地局との間で決められたチャネルに基づいて周波数変換量を算出し、算出された周波数変換量に基づいて前記分配された各々の信号を周波数変換する周波数変換工程と、
周波数変換後の各々の信号から、各ユーザ局が前記チャネルを用いて送信した信号に対応する変調波を取り出すフィルタリング工程と、
各ユーザ局が前記チャネルを用いて前記衛星中継器へ送信した信号を復元するため、前記フィルタリング工程にて取り出された変調波のうち全部又は一部を１つに合成し復調する合成復調工程と、
を有する信号処理方法。
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