JP4613464B2 - 無線回線割当方法、プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射する無線通信システムにおける無線回線割当方法、プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
本発明の対象とする無線通信システムは、例えば、宇宙空間に複数の衛星を有する衛星通信システムであり、大気圏中に複数の飛翔体（例えば飛行船）を有する成層圏プラットホームであり、又は複数の基地局を有するセルラ無線通信システムである。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、無線通信システムが成層圏プラットホームである場合のシステム概略図である。図１によれば、複数の飛翔体の親局から、複数のスポットビームが照射されている。システム全体で収容する総トラヒック量を増大化するためには、地表面からアクセス可能な飛翔体は、複数存在する方が望ましい。
【０００４】
図２は、図１における無線回線割当制御の説明図である。無線通信システムにおける無線回線割当の手段の１つとしては、集中制御型システム（Centralized System）があり、この場合、無線回線割当は、システム全体を制御する中央制御局によって行われる。
【０００５】
無線通信システムにおける大きな課題は、周波数資源と電力資源との制約である。特に、周波数資源の有効利用は重要な課題であり、衛星通信システム又はセルラ無線通信システムにおける様々な無線回線割当方法が提案されてきた。衛星通信システムの分野では、スポットビームに対する周波数資源の最適割当又は割当結果に基づく運用方法（例えば、S.Konishi et.al, "Flexible Transmission Bandwidth Management with Effective Channel Reservation Techniques for NGSO MSS", IEEE JSAC, vol.15, pp.1197-1207）が提案されている。
【０００６】
一方、衛星通信システムで用いられる衛星又は成層圏プラットフォームで用いられる飛翔体のような親局は、太陽電池などの電力をもとに稼働するため、電力も有限の資源である。この電力資源を制約条件として、トラヒックを複数の可視衛星に配分し、システム全体の収容可能トラヒックを増大化する方法（特願2000-249526「衛星の送信電力の制約に基づくトラヒック分配方法」）も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、親局における周波数資源及び電力資源の両方を同時に考慮して、無線回線を割り当てるような無線回線割当方法は存在しなかった。
【０００８】
従来の技術を適用した場合、周波数帯域又は電力のいずれかの制約条件のみを考慮した無線回線割当を行うことは可能である。しかしながら、周波数帯域制約のみを考慮した場合、電力に余裕がないときに電力制約を満足しない割当結果となり、逆に、電力制約のみを考慮した場合、周波数帯域に余裕がないときに周波数制約を満足しない割当結果となる。
【０００９】
周波数帯域においては、周波数資源の逼迫という現状から、システムに割り当てられる周波数帯域は少なくなる傾向にある。また、電力においては、衛星又は飛翔体のような親局の小型化・簡易化・低廉化に伴い、通信に使用できる電力が縮小化される傾向にある。特に、成層圏プラットフォームでは、飛翔体が高度約20kmの位置に配備され、その高度において生じる風力に対して静止しうるだけの動力を有する必要があるため、通信に使用できる電力はできるだけ少ない方が望ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、周波数帯域及び電力を同時に考慮して無線回線を割り当てることができる無線回線割当方法、プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の無線回線割当方法は、電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
目的関数として、ビームのトラヒック需要に対する収容率が最大となるように、線形計画法を用いて算出するステップを有し、スポットビームiの無線回線を割り当てる。これにより、周波数帯域制約と使用可能電力制約との２つの制約条件を同時に考慮することができる。
【００１２】
また、本発明の無線回線割当方法は、地表エリアが複数のセルkに区分されており、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ckに等しくなり、
目的関数として、全セル共通のトラヒックの収容率αを最大にするように、線形計画法を用いて算出する第１のステップと、
電力量制約条件と、同時に、周波数帯域制約条件と、第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ck以下となり、
目的関数として、システム全体の収容トラヒック量を最大とするように、線形計画法を用いて算出する第２のステップと
を有し、地表エリアにおけるトラヒック需要の偏りに従って無線回線を割り当てる。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkにおけるセルkの収容率αkの割合量が、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
セルkの収容率αkは、収容率α以上となり且つ最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは更に収容率を引き上げることも好ましい。
【００１４】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの目的関数は、
システム全体の収容トラヒック量から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにするものであり、収容率αkの偏差を少なくすることも好ましい。
【００１５】
本発明の他の実施形態によれば、該セルkは周波数繰り返し利用のためにカテゴリmが割り当てられており、
第１の制約条件について、スポットビームiにおけるシステム全体の使用周波数帯域は、スポットビームiがカテゴリmを使用しているか(1)否か(0)を表す行列Ximと、カテゴリmに割り当てられている周波数帯域Fmとの積Xim・Fmから算出されることも好ましい。
【００１６】
本発明の他の実施形態によれば、第１のステップ及び／又は第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されることも好ましい。
【００１７】
本発明の無線回線割当プログラムによれば、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
目的関数として、ビームのトラヒック需要に対する収容率が最大となるように、線形計画法を用いて算出するステップを有し、スポットビームiの無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させる。
【００１８】
また、本発明の無線回線プログラムによれば、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ckに等しくなり、
目的関数として、全セル共通のトラヒックの収容率αを最大にするように、線形計画法を用いて算出する第１のステップと、
電力量制約条件と、同時に、周波数帯域制約条件と、第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ck以下となり、
目的関数として、システム全体の収容トラヒック量を最大とするように、線形計画法を用いて算出する第２のステップと
を有し、地表エリアにおけるトラヒック需要の偏りに従って無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させる。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkにおけるセルkの収容率αkの割合量が、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
セルkの収容率αkは、収容率α以上となり且つ最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは更に収容率を引き上げるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２０】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの目的関数は、
システム全体の収容トラヒック量から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにするものであり、収容率αkの偏差を少なくするようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施形態によれば、セルkは周波数繰り返し利用のためにカテゴリmが割り当てられており、
第１の制約条件について、スポットビームiにおけるシステム全体の使用周波数帯域は、スポットビームiがカテゴリmを使用しているか(1)否か(0)を表す行列Ximと、カテゴリmに割り当てられている周波数帯域Fmとの積Xim・Fmから算出されるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、第１のステップ及び／又は第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、前述の無線回線割当プログラムを記録した記録媒体であってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
図３は、中央制御局１における無線回線割当に関する機能構成図である。図３によれば、中央制御局１は、トラヒック解析機能１０と、カバレッジ解析機能１１と、無線回線割当計画機能１２とを有する。無線回線割当計画機能１３は、システム情報のデータベース１３から、親局における配置情報、スポットビーム情報及びトラヒック情報を取得して、無線回線の割当を計画し、その結果を無線回線割当計画のデータベース１４へ通知する。図示していないが、中央制御局は、基本的機能として、親局の各種情報を取得する機能と、計画された無線回線割当情報を親局へ通知する機能とを有する。無線回線割当情報を受信した親局は、無線回線を利用し又は解放する。
【００２６】
トラヒック解析機能１０は、システムのサービス領域の地表面を、微小領域である地表セルに区分けし、特定の方法で、地表セル毎の過去のトラヒック量の時系列データを取得する。これにより、地表セル毎の需要トラヒック量を決定することができる。特定の方法とは、例えば、「過去１日の最大のトラヒック量」又は「過去１ヶ月のトラヒック量累積分布の90%値」等のいかなる方法であってもよい。同様に、スポットビーム毎の過去のトラフィック需要量を用いて、スポットビーム毎の需要トラヒック量も決定できる。ここで決定された需要トラヒック量は、後述する第１の実施形態において用いることができる。
【００２７】
カバレッジ解析機能１１は、親局のカバレッジ領域及び親局から照射されるスポットビームのカバレッジ領域を解析する。例えば、「各親局の各スポットビームがどの地表セルを照射しているか」又は「各地表セルがどの親局のどのスポットビームに照射されているか」を求める。
【００２８】
また、カバレッジ解析機能１１は、無線回線の割当を行う際に必要なカテゴリmを決定する。このとき、周波数を効率良く利用するために、ビーム間干渉が発生しない程度離れた複数のスポットビームに対して同じ周波数帯域を再利用する。ここでは、地上系セルラ無線通信システムで用いられている４セル繰り返しパターンを使用する。勿論、例えば、３セル、７セル、９セル等の４セル繰り返し以外であっても良い。
【００２９】
図４は、４セル繰り返しパターンの説明図である。図４によれば、４カテゴリに（即ち４色に塗り）分けられる。１親局でLeftとRightに分け、それぞれ別の４カテゴリ（即ち計８カテゴリ）が必要となる。
【００３０】
図５は、親局の列（衛星の場合は「軌道面」）が複数ある場合の説明図である。図５によれば、更にカテゴリを細分化する必要がある。即ち、４×２×２＝１６のカテゴリが必要となる。
【００３１】
更に、カバレッジ解析機能１１は、各スポットビームに割り振られたカテゴリ（「ノミナルカテゴリ」と呼ぶ）及び他のカテゴリの中で、干渉が生じないカテゴリが存在するか否かを調査し、スポットビーム対使用可能カテゴリの使用可能カテゴリを示す「使用可能カテゴリマトリックス」Ｘi'mを作成する。干渉を生じないカテゴリが存在するか否かの調査は、例えば、スポットビーム半径が一定だとすると、半径rにおいて４セル繰り返しを適用する場合、あるビームのノミナルカテゴリ以外のカテゴリをノミナルカテゴリとしている全てのスポットビームと当該ビームとの中心距離がより大きければ、そのカテゴリを再利用できる。
【００３２】
無線回線割当計画機能１２は、トラヒック解析機能で得られた需要トラヒック量の情報、カバレッジ解析機能で得られたカバレッジ情報又は使用可能カテゴリマトリックス情報、システム情報として得られる各種情報（使用可能帯域や回線当たりの情報伝送速度、又は使用可能電力量や各種パラメータ）を元に、本発明による無線回線割当方法に基づいて、カテゴリm毎に無線回線を最適に割り当てる。
【００３３】
また、無線回線割当計画機能１２は、カテゴリm毎に割り当てた無線回線から、スポットビームiで使用可能な無線回線を算出する。使用可能カテゴリマトリックスＸi'mを用いて、スポットビームiが使用可能なカテゴリmを調査し、各カテゴリmに割り当てられた無線回線の総和を算出する。
【００３４】
以下では、無線回線割当方法について、具体的に説明する。
【００３５】
最初に、以下で説明するための変数及び既知の値について定義する。
i:衛星or飛翔体内のスポットビームID（i=1,2,...,B）
i':衛星or全飛翔体のスポットビームの通しID（i'=1,2,...,Ball）
j:衛星or飛翔体ID
m:カテゴリID（m=1,2,...,M）
d:１周波数スロット(又は１チャネル若しくは１回線)当りの伝送容量[kbps]
p:親局(衛星or飛翔体)直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力[W] L(i):伝搬損補正値(＝スポットビーム中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失、又は１）尚、「伝搬損失」は真数であり、「スポットビーム中心での伝搬損失」は、(4π×伝搬距離／λ)2で与えられる。
Pmax:親局で通信に使用可能な送信電力総量
P(j):親局jの所要電力[W]
Xi'm:スポットビームi'がカテゴリmを利用できる（=1）か否（=0）かを表すマトリックス（使用可能カテゴリマトリックス）
Ftotal:システムが利用可能な周波数総帯域（周波数スロット総数）
Fm:カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数
C(i,j), C(i'):親局j及びスポットビームi、又は、スポットビームの通しID i'、に収容するトラヒック量[kbps]
【００３６】
本発明の無線回線割当方法における、第１の実施形態の線形計画法を用いるステップについて説明する。尚、スポットビームi'に収容するトラヒック量C(i')は「既知」である。
【００３７】
また、第１の実施形態におけるαは、以下のように定義する。
α:ビームのトラヒック需要に対する収容率
【００３８】
【数１】
【００３９】
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となることを規定する。また、但書では、各親局の所要電力量P(j)は、スポットビームで収容すべきトラヒック量と、チャネル当たりの所要電力及びチャネル当たりの伝送速度とから算出されることを表している。
（２）式は、αは負の値としないことを規定する。
（３）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。スポットビームで使用する周波数帯域は、スポットビームが収容すべきトラヒック量C(i')とチャネル当たりの伝送速度dから算出される。
（４）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。
前述の（１）〜（４）の制約条件を満たす上で、ビームのトラヒック需要に対する収容率αを最大とするように、線形計画法を用いて算出する。
この第１の実施形態によれば、周波数帯域及び電力を同時に考慮して無線回線を割り当てることができる。
【００４０】
（３）式は、以下の行列式で詳細に表される。
【数２】
ビームIDi=1については、カテゴリm=1及びm=5が対応し、以下の式となる。
F1＋F5 ≧ C(1)/d
ビームIDi=2については、カテゴリm=2及びm=mが対応し、以下の式となる。
F2＋Fm ≧ C(2)/d
ビームIDi=3については、カテゴリm=3及びm=5が対応し、以下の式となる。
F3＋F5 ≧ C(3)/d
【００４１】
また、前述した（３）式によって、（４）式は、以下の行列式で表される。
【数３】
【００４２】
次に、本発明の無線回線割当方法における、第２の実施形態の線形計画法を用いるステップについて説明する。第２の実施形態によれば、一連の２つの線形計画法のステップを行う。
【００４３】
第２の実施形態を説明するために、前述の定義に加えて、更に以下の変数及び既知の値を定義する。
k:地表セルID
Dk:地表セルkでのトラヒック量[kbps]
Wk(j)：地表セルkのトラヒック量の配分に使用する重み関数
visible prob.関数
vk(j)＝{(kから見たjの仰角(度)−サービス仰角(度))／(90(度)−サービス仰角(度))}
【数４】
β:Wk(j)に応じて配分する際の余裕を表すパラメータ
γ:目的関数で使用する重み係数
δ:目的関数で使用する重み係数
Ck(i,j):親局j、スポットビームiに収容される地表セル #kの
トラヒック量[kbps]
【００４４】
また、第１の実施形態と異なり、第２の実施形態では以下のように定義する。
α:全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率
αk:地表セルkのトラヒック需要に対する収容率
α':全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率(αkの最大値)
【００４５】
以下で説明する第１の線形計画法のステップは、一定の制約条件の下、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大とするものであり、第２の線形計画法のステップは、この共通収容率αを用いて、システム全体の収容トラヒック量を最大とするものである。
【００４６】
【数５】
【００４７】
【数６】
【００４８】
［第１のステップ］
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量P(j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となることを規定する。但書については、第１の実施形態で説明したものと同様である。
（２）式は、地表セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、当該地表セルkの収容トラヒック量Ck(i,j)に等しくなることを規定する。
（３）式は、αは負の値としないことを規定する。
（４）式は、地表セルを覆う任意の２つの親局に収容されるトラヒック量が、予め定められた分配比率に沿って分配される（β=0のとき）ことを規定する。尚、余裕変数（β≠0）を与えることにより、予め定められた分配比率に近い分配を許容する。
（５）式は、任意の地表セルを覆うスポットビームに収容する当該地表セルkのトラヒック量Ck(i,j)は負としないことを規定する。
（６）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。第１の実施形態で説明したものと同様である。
（７）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。第１の実施形態で説明したものと同様である。
前述の（１）〜（７）の制約条件を満たす上で、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大とするように、線形計画法を用いて算出する。
【００４９】
［第２のステップ］
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量P(j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となることを規定する。
（２）式は、地表セルkの需要トラヒック量Dkとセルkの収容率αkとの積からなる収容トラヒック量αk・Dkが、当該地表セルkの収容トラヒック量Ck(i,j)に等しくなることを規定する。
（３）式は、セルkの収容率αkは、第１のステップで得られた全地表セル共通の収容率α以上となることを規定する。
（４）式は、セルkの収容率αkは、全セル共通の最大収容率α'以下となることを規定する。
（５）式は、地表セルを覆う任意の２つの親局に収容されるトラヒック量は、予め定められた分配比率に沿って分配される（β=0のとき）ことを規定する。なお、余裕変数（β≠0）を与えることにより、予め定められた分配比率に近い分配を許容する。
（６）式は、任意の地表セルを覆うスポットビームに収容する当該地表セルkのトラヒック量Ck(i,j)は負としないことを規定する。
（７）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。
（８）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。
前述の（１）〜（８）の制約条件を満たす上で、（δ=0のとき）システム全体で収容する総トラヒック量を最大にするように、線形計画法を用いて算出する。また、（δ≠0のとき）α'（収容率の最大値）をおさえることにより地表セル毎の収容率の差を少なくするようにすることも好ましい。
【００５０】
図６は、トラヒック量が多い地表セルkから順に並べたグラフである。編線の棒は、地表セルkのトラヒック量Dk[kbps]である。斜線の棒は、地表セルkのトラヒック量Dkと、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積α・Dkである。線無しの棒は、地表セルkでのトラヒック量Dkと、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkとの積αk・Dkである。
【００５１】
図７は、図６に対応して、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkのグラフである。
【００５２】
図６及び図７からも明らかなように、第１のステップにおいて全セル共通の収容率αを算出するが、第２のステップにおいて、セルkのトラヒック需要の偏りを維持しつつ、更にセルk毎に収容率を引き上げようとしたものである。
【００５３】
また、この場合、セルk毎の収容率αkの偏差を少なくすることが好ましいときもある。そのときは、第２のステップの目的関数は、システム全体の収容トラヒック量ΣkDkから、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにする。δが0に近い場合、システム全体の収容トラヒック量を最大にするが、セルk毎の収容率αkの偏差は大きくなる可能性がある。一方で、δが1に近い場合、システム全体の収容トラヒック量は最大とはならないが、セルk毎の偏りを維持しつつ、収容率αkの偏差は小さくなる可能性がある。
【００５４】
尚、第１のステップの（４）式及び第２のステップの（５）式は、Sk(j1,j2)なる変数を用いて、以下のように置き換えてもよい。前述の式では、需要トラヒック量又は各スポットビームに割り当てられる無線回線数に、時刻の次元を入れていない。従って、以下の式では、時刻の次元を入れる（つまりDk(t)、Ck(t,i,j)などとして）ことにより、時刻変化に基づいて時刻毎の無線回線割当結果を得ることも可能である。
【数７】
【００５５】
前述した本発明の種々の実施形態によれば、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略が、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【００５６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ビームのトラヒック需要に対する収容率を最大とすることができるので、システム全体のトラヒック収容量を最大にすることができる。また、全セル共通の収容率を算出した上で、セルkのトラヒック需要の偏りを維持しつつ、更にセルk毎に収容率を引き上げることができる。更に、地表面のトラヒックを複数の親局に分配するときは、別途定められた配分比になるべく近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信システムが成層圏プラットホームである場合のシステム概略図である。
【図２】図１における無線回線割当制御の説明図である。
【図３】中央制御局における無線回線割当に関する機能構成図である。
【図４】４セル繰り返しパターンの説明図である。
【図５】親局の列が複数ある場合の説明図である
【図６】トラヒック量Dkが多い地表セルkから順に並べたグラフである。
【図７】図６に対応して、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkのグラフである。
【符号の説明】
１ 中央制御局
１０ トラヒック解析機能
１１ カバレッジ解析機能
１２ 無線回線割当計画機能
１３ システム情報のデータベース
１４ 無線回線割当計画のデータベース
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射する無線通信システムにおける無線回線割当方法、プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体に関する。
【０００２】
本発明の対象とする無線通信システムは、例えば、宇宙空間に複数の衛星を有する衛星通信システムであり、大気圏中に複数の飛翔体（例えば飛行船）を有する成層圏プラットホームであり、又は複数の基地局を有するセルラ無線通信システムである。
【０００３】
【従来の技術】
図１は、無線通信システムが成層圏プラットホームである場合のシステム概略図である。図１によれば、複数の飛翔体の親局から、複数のスポットビームが照射されている。システム全体で収容する総トラヒック量を増大化するためには、地表面からアクセス可能な飛翔体は、複数存在する方が望ましい。
【０００４】
図２は、図１における無線回線割当制御の説明図である。無線通信システムにおける無線回線割当の手段の１つとしては、集中制御型システム（Centralized System）があり、この場合、無線回線割当は、システム全体を制御する中央制御局によって行われる。
【０００５】
無線通信システムにおける大きな課題は、周波数資源と電力資源との制約である。特に、周波数資源の有効利用は重要な課題であり、衛星通信システム又はセルラ無線通信システムにおける様々な無線回線割当方法が提案されてきた。衛星通信システムの分野では、スポットビームに対する周波数資源の最適割当又は割当結果に基づく運用方法（例えば、S.Konishi et.al, "Flexible Transmission Bandwidth Management with Effective Channel Reservation Techniques for NGSO MSS", IEEE JSAC, vol.15, pp.1197-1207）が提案されている。
【０００６】
一方、衛星通信システムで用いられる衛星又は成層圏プラットフォームで用いられる飛翔体のような親局は、太陽電池などの電力をもとに稼働するため、電力も有限の資源である。この電力資源を制約条件として、トラヒックを複数の可視衛星に配分し、システム全体の収容可能トラヒックを増大化する方法（特願2000-249526「衛星の送信電力の制約に基づくトラヒック分配方法」）も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、親局における周波数資源及び電力資源の両方を同時に考慮して、無線回線を割り当てるような無線回線割当方法は存在しなかった。
【０００８】
従来の技術を適用した場合、周波数帯域又は電力のいずれかの制約条件のみを考慮した無線回線割当を行うことは可能である。しかしながら、周波数帯域制約のみを考慮した場合、電力に余裕がないときに電力制約を満足しない割当結果となり、逆に、電力制約のみを考慮した場合、周波数帯域に余裕がないときに周波数制約を満足しない割当結果となる。
【０００９】
周波数帯域においては、周波数資源の逼迫という現状から、システムに割り当てられる周波数帯域は少なくなる傾向にある。また、電力においては、衛星又は飛翔体のような親局の小型化・簡易化・低廉化に伴い、通信に使用できる電力が縮小化される傾向にある。特に、成層圏プラットフォームでは、飛翔体が高度約20kmの位置に配備され、その高度において生じる風力に対して静止しうるだけの動力を有する必要があるため、通信に使用できる電力はできるだけ少ない方が望ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、周波数帯域及び電力を同時に考慮して無線回線を割り当てることができる無線回線割当方法、プログラム及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の無線回線割当方法は、電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
目的関数として、ビームのトラヒック需要に対する収容率が最大となるように、線形計画法を用いて算出するステップを有し、スポットビームiの無線回線を割り当てる。これにより、周波数帯域制約と使用可能電力制約との２つの制約条件を同時に考慮することができる。
【００１２】
また、本発明の無線回線割当方法は、地表エリアが複数のセルkに区分されており、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ckに等しくなり、
目的関数として、全セル共通のトラヒックの収容率αを最大にするように、線形計画法を用いて算出する第１のステップと、
電力量制約条件と、同時に、周波数帯域制約条件と、第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ck以下となり、
目的関数として、システム全体の収容トラヒック量を最大とするように、線形計画法を用いて算出する第２のステップと
を有し、地表エリアにおけるトラヒック需要の偏りに従って無線回線を割り当てる。
【００１３】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkにおけるセルkの収容率αkの割合量が、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
セルkの収容率αkは、収容率α以上となり且つ最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは更に収容率を引き上げることも好ましい。
【００１４】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの目的関数は、
システム全体の収容トラヒック量から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにするものであり、収容率αkの偏差を少なくすることも好ましい。
【００１５】
本発明の他の実施形態によれば、該セルkは周波数繰り返し利用のためにカテゴリmが割り当てられており、
第１の制約条件について、スポットビームiにおけるシステム全体の使用周波数帯域は、スポットビームiがカテゴリmを使用しているか(1)否か(0)を表す行列Ximと、カテゴリmに割り当てられている周波数帯域Fmとの積Xim・Fmから算出されることも好ましい。
【００１６】
本発明の他の実施形態によれば、第１のステップ及び／又は第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されることも好ましい。
【００１７】
本発明の無線回線割当プログラムによれば、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
目的関数として、ビームのトラヒック需要に対する収容率が最大となるように、線形計画法を用いて算出するステップを有し、スポットビームiの無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させる。
【００１８】
また、本発明の無線回線プログラムによれば、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域が、システム全体の使用可能周波数帯域以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームiの所要周波数帯域が、スポットビームiの使用可能周波数帯域以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ckに等しくなり、
目的関数として、全セル共通のトラヒックの収容率αを最大にするように、線形計画法を用いて算出する第１のステップと、
電力量制約条件と、同時に、周波数帯域制約条件と、第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ck以下となり、
目的関数として、システム全体の収容トラヒック量を最大とするように、線形計画法を用いて算出する第２のステップと
を有し、地表エリアにおけるトラヒック需要の偏りに従って無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させる。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkにおけるセルkの収容率αkの割合量が、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
セルkの収容率αkは、収容率α以上となり且つ最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは更に収容率を引き上げるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２０】
本発明の他の実施形態によれば、第２のステップの目的関数は、
システム全体の収容トラヒック量から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにするものであり、収容率αkの偏差を少なくするようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２１】
本発明の他の実施形態によれば、セルkは周波数繰り返し利用のためにカテゴリmが割り当てられており、
第１の制約条件について、スポットビームiにおけるシステム全体の使用周波数帯域は、スポットビームiがカテゴリmを使用しているか(1)否か(0)を表す行列Ximと、カテゴリmに割り当てられている周波数帯域Fmとの積Xim・Fmから算出されるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２２】
本発明の他の実施形態によれば、第１のステップ及び／又は第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されるようにコンピュータを機能させることも好ましい。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、前述の無線回線割当プログラムを記録した記録媒体であってもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下では、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２５】
図３は、中央制御局１における無線回線割当に関する機能構成図である。図３によれば、中央制御局１は、トラヒック解析機能１０と、カバレッジ解析機能１１と、無線回線割当計画機能１２とを有する。無線回線割当計画機能１３は、システム情報のデータベース１３から、親局における配置情報、スポットビーム情報及びトラヒック情報を取得して、無線回線の割当を計画し、その結果を無線回線割当計画のデータベース１４へ通知する。図示していないが、中央制御局は、基本的機能として、親局の各種情報を取得する機能と、計画された無線回線割当情報を親局へ通知する機能とを有する。無線回線割当情報を受信した親局は、無線回線を利用し又は解放する。
【００２６】
トラヒック解析機能１０は、システムのサービス領域の地表面を、微小領域である地表セルに区分けし、特定の方法で、地表セル毎の過去のトラヒック量の時系列データを取得する。これにより、地表セル毎の需要トラヒック量を決定することができる。特定の方法とは、例えば、「過去１日の最大のトラヒック量」又は「過去１ヶ月のトラヒック量累積分布の90%値」等のいかなる方法であってもよい。同様に、スポットビーム毎の過去のトラフィック需要量を用いて、スポットビーム毎の需要トラヒック量も決定できる。ここで決定された需要トラヒック量は、後述する第１の実施形態において用いることができる。
【００２７】
カバレッジ解析機能１１は、親局のカバレッジ領域及び親局から照射されるスポットビームのカバレッジ領域を解析する。例えば、「各親局の各スポットビームがどの地表セルを照射しているか」又は「各地表セルがどの親局のどのスポットビームに照射されているか」を求める。
【００２８】
また、カバレッジ解析機能１１は、無線回線の割当を行う際に必要なカテゴリmを決定する。このとき、周波数を効率良く利用するために、ビーム間干渉が発生しない程度離れた複数のスポットビームに対して同じ周波数帯域を再利用する。ここでは、地上系セルラ無線通信システムで用いられている４セル繰り返しパターンを使用する。勿論、例えば、３セル、７セル、９セル等の４セル繰り返し以外であっても良い。
【００２９】
図４は、４セル繰り返しパターンの説明図である。図４によれば、４カテゴリに（即ち４色に塗り）分けられる。１親局でLeftとRightに分け、それぞれ別の４カテゴリ（即ち計８カテゴリ）が必要となる。
【００３０】
図５は、親局の列（衛星の場合は「軌道面」）が複数ある場合の説明図である。図５によれば、更にカテゴリを細分化する必要がある。即ち、４×２×２＝１６のカテゴリが必要となる。
【００３１】
更に、カバレッジ解析機能１１は、各スポットビームに割り振られたカテゴリ（「ノミナルカテゴリ」と呼ぶ）及び他のカテゴリの中で、干渉が生じないカテゴリが存在するか否かを調査し、スポットビーム対使用可能カテゴリの使用可能カテゴリを示す「使用可能カテゴリマトリックス」Ｘi'mを作成する。干渉を生じないカテゴリが存在するか否かの調査は、例えば、スポットビーム半径が一定だとすると、半径rにおいて４セル繰り返しを適用する場合、あるビームのノミナルカテゴリ以外のカテゴリをノミナルカテゴリとしている全てのスポットビームと当該ビームとの中心距離がより大きければ、そのカテゴリを再利用できる。
【００３２】
無線回線割当計画機能１２は、トラヒック解析機能で得られた需要トラヒック量の情報、カバレッジ解析機能で得られたカバレッジ情報又は使用可能カテゴリマトリックス情報、システム情報として得られる各種情報（使用可能帯域や回線当たりの情報伝送速度、又は使用可能電力量や各種パラメータ）を元に、本発明による無線回線割当方法に基づいて、カテゴリm毎に無線回線を最適に割り当てる。
【００３３】
また、無線回線割当計画機能１２は、カテゴリm毎に割り当てた無線回線から、スポットビームiで使用可能な無線回線を算出する。使用可能カテゴリマトリックスＸi'mを用いて、スポットビームiが使用可能なカテゴリmを調査し、各カテゴリmに割り当てられた無線回線の総和を算出する。
【００３４】
以下では、無線回線割当方法について、具体的に説明する。
【００３５】
最初に、以下で説明するための変数及び既知の値について定義する。
i:衛星or飛翔体内のスポットビームID（i=1,2,...,B）
i':衛星or全飛翔体のスポットビームの通しID（i'=1,2,...,Ball）
j:衛星or飛翔体ID
m:カテゴリID（m=1,2,...,M）
d:１周波数スロット(又は１チャネル若しくは１回線)当りの伝送容量[kbps]
p:親局(衛星or飛翔体)直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力[W] L(i):伝搬損補正値(＝スポットビーム中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失、又は１）尚、「伝搬損失」は真数であり、「スポットビーム中心での伝搬損失」は、(4π×伝搬距離／λ)2で与えられる。
Pmax:親局で通信に使用可能な送信電力総量
P(j):親局jの所要電力[W]
Xi'm:スポットビームi'がカテゴリmを利用できる（=1）か否（=0）かを表すマトリックス（使用可能カテゴリマトリックス）
Ftotal:システムが利用可能な周波数総帯域（周波数スロット総数）
Fm:カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数
C(i,j), C(i'):親局j及びスポットビームi、又は、スポットビームの通しID i'、に収容するトラヒック量[kbps]
【００３６】
本発明の無線回線割当方法における、第１の実施形態の線形計画法を用いるステップについて説明する。尚、スポットビームi'に収容するトラヒック量C(i')は「既知」である。
【００３７】
また、第１の実施形態におけるαは、以下のように定義する。
α:ビームのトラヒック需要に対する収容率
【００３８】
【数１】
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量が、親局の使用可能電力量以下となることを規定する。また、但書では、各親局の所要電力量P(j)は、スポットビームで収容すべきトラヒック量と、チャネル当たりの所要電力及びチャネル当たりの伝送速度とから算出されることを表している。
（２）式は、αは負の値としないことを規定する。
（３）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。スポットビームで使用する周波数帯域は、スポットビームが収容すべきトラヒック量C(i')とチャネル当たりの伝送速度dから算出される。
（４）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。
前述の（１）〜（４）の制約条件を満たす上で、ビームのトラヒック需要に対する収容率αを最大とするように、線形計画法を用いて算出する。
この第１の実施形態によれば、周波数帯域及び電力を同時に考慮して無線回線を割り当てることができる。
【００４０】
（３）式は、以下の行列式で詳細に表される。
【数２】
F1＋F5 ≧ C(1)/d
ビームIDi=2については、カテゴリm=2及びm=mが対応し、以下の式となる。
F2＋Fm ≧ C(2)/d
ビームIDi=3については、カテゴリm=3及びm=5が対応し、以下の式となる。
F3＋F5 ≧ C(3)/d
【００４１】
また、前述した（３）式によって、（４）式は、以下の行列式で表される。
【数３】
次に、本発明の無線回線割当方法における、第２の実施形態の線形計画法を用いるステップについて説明する。第２の実施形態によれば、一連の２つの線形計画法のステップを行う。
【００４３】
第２の実施形態を説明するために、前述の定義に加えて、更に以下の変数及び既知の値を定義する。
k:地表セルID
Dk:地表セルkでのトラヒック量[kbps]
Wk(j)：地表セルkのトラヒック量の配分に使用する重み関数
visible prob.関数
vk(j)＝{(kから見たjの仰角(度)−サービス仰角(度))／(90(度)−サービス仰角(度))}
【数４】
γ:目的関数で使用する重み係数
δ:目的関数で使用する重み係数
Ck(i,j):親局j、スポットビームiに収容される地表セル #kの
トラヒック量[kbps]
【００４４】
また、第１の実施形態と異なり、第２の実施形態では以下のように定義する。
α:全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率
αk:地表セルkのトラヒック需要に対する収容率
α':全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率(αkの最大値)
【００４５】
以下で説明する第１の線形計画法のステップは、一定の制約条件の下、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大とするものであり、第２の線形計画法のステップは、この共通収容率αを用いて、システム全体の収容トラヒック量を最大とするものである。
【００４６】
【数５】
【数６】
［第１のステップ］
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量P(j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となることを規定する。但書については、第１の実施形態で説明したものと同様である。
（２）式は、地表セルkの需要トラヒック量Dkと収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、当該地表セルkの収容トラヒック量Ck(i,j)に等しくなることを規定する。
（３）式は、αは負の値としないことを規定する。
（４）式は、地表セルを覆う任意の２つの親局に収容されるトラヒック量が、予め定められた分配比率に沿って分配される（β=0のとき）ことを規定する。尚、余裕変数（β≠0）を与えることにより、予め定められた分配比率に近い分配を許容する。
（５）式は、任意の地表セルを覆うスポットビームに収容する当該地表セルkのトラヒック量Ck(i,j)は負としないことを規定する。
（６）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。第１の実施形態で説明したものと同様である。
（７）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。第１の実施形態で説明したものと同様である。
前述の（１）〜（７）の制約条件を満たす上で、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大とするように、線形計画法を用いて算出する。
【００４９】
［第２のステップ］
（１）式は、電力制約条件を規定したものであり、親局jの所要電力量P(j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となることを規定する。
（２）式は、地表セルkの需要トラヒック量Dkとセルkの収容率αkとの積からなる収容トラヒック量αk・Dkが、当該地表セルkの収容トラヒック量Ck(i,j)に等しくなることを規定する。
（３）式は、セルkの収容率αkは、第１のステップで得られた全地表セル共通の収容率α以上となることを規定する。
（４）式は、セルkの収容率αkは、全セル共通の最大収容率α'以下となることを規定する。
（５）式は、地表セルを覆う任意の２つの親局に収容されるトラヒック量は、予め定められた分配比率に沿って分配される（β=0のとき）ことを規定する。なお、余裕変数（β≠0）を与えることにより、予め定められた分配比率に近い分配を許容する。
（６）式は、任意の地表セルを覆うスポットビームに収容する当該地表セルkのトラヒック量Ck(i,j)は負としないことを規定する。
（７）式は、任意のスポットビームi'が使用可能な周波数帯域の総和ΣmXi'mFmは、当該スポットビームで使用する周波数帯域以上であることを規定する。
（８）式は、システム全体で使用する周波数帯域ΣmFmは、システムで使用可能な総周波数帯域Ftotalを超えないことを規定する。
前述の（１）〜（８）の制約条件を満たす上で、（δ=0のとき）システム全体で収容する総トラヒック量を最大にするように、線形計画法を用いて算出する。また、（δ≠0のとき）α'（収容率の最大値）をおさえることにより地表セル毎の収容率の差を少なくするようにすることも好ましい。
【００５０】
図６は、トラヒック量が多い地表セルkから順に並べたグラフである。編線の棒は、地表セルkのトラヒック量Dk[kbps]である。斜線の棒は、地表セルkのトラヒック量Dkと、全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積α・Dkである。線無しの棒は、地表セルkでのトラヒック量Dkと、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkとの積αk・Dkである。
【００５１】
図７は、図６に対応して、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkのグラフである。
【００５２】
図６及び図７からも明らかなように、第１のステップにおいて全セル共通の収容率αを算出するが、第２のステップにおいて、セルkのトラヒック需要の偏りを維持しつつ、更にセルk毎に収容率を引き上げようとしたものである。
【００５３】
また、この場合、セルk毎の収容率αkの偏差を少なくすることが好ましいときもある。そのときは、第２のステップの目的関数は、システム全体の収容トラヒック量ΣkDkから、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大とするようにする。δが0に近い場合、システム全体の収容トラヒック量を最大にするが、セルk毎の収容率αkの偏差は大きくなる可能性がある。一方で、δが1に近い場合、システム全体の収容トラヒック量は最大とはならないが、セルk毎の偏りを維持しつつ、収容率αkの偏差は小さくなる可能性がある。
【００５４】
尚、第１のステップの（４）式及び第２のステップの（５）式は、Sk(j1,j2)なる変数を用いて、以下のように置き換えてもよい。前述の式では、需要トラヒック量又は各スポットビームに割り当てられる無線回線数に、時刻の次元を入れていない。従って、以下の式では、時刻の次元を入れる（つまりDk(t)、Ck(t,i,j)などとして）ことにより、時刻変化に基づいて時刻毎の無線回線割当結果を得ることも可能である。
【数７】
前述した本発明の種々の実施形態によれば、本発明の技術思想及び見地の範囲の種々の変更、修正及び省略が、当業者によれば容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【００５６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ビームのトラヒック需要に対する収容率を最大とすることができるので、システム全体のトラヒック収容量を最大にすることができる。また、全セル共通の収容率を算出した上で、セルkのトラヒック需要の偏りを維持しつつ、更にセルk毎に収容率を引き上げることができる。更に、地表面のトラヒックを複数の親局に分配するときは、別途定められた配分比になるべく近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線通信システムが成層圏プラットホームである場合のシステム概略図である。
【図２】図１における無線回線割当制御の説明図である。
【図３】中央制御局における無線回線割当に関する機能構成図である。
【図４】４セル繰り返しパターンの説明図である。
【図５】親局の列が複数ある場合の説明図である
【図６】トラヒック量Dkが多い地表セルkから順に並べたグラフである。
【図７】図６に対応して、地表セルkのトラヒック需要に対する収容率αkのグラフである。
【符号の説明】
１ 中央制御局
１０ トラヒック解析機能
１１ カバレッジ解析機能
１２ 無線回線割当計画機能
１３ システム情報のデータベース
１４ 無線回線割当計画のデータベース
Claims (11)
- 複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射する無線通信システムにおける無線回線割当方法であって、
スポットビームi'（i'は親局j及びスポットビームiの組み合わせからなるスポットビームの通しID）の収容トラヒック量Ｃ（i'）、つまり親局j及びスポットビームiに収容するトラヒック量C(i,j)を決定するトラヒック解析ステップと、
スポットビームi'に対して周波数スロットの割当を行う際に、スポットビームi'と、同一周波数スロットを再利用可能なスポットビーム群を表すカテゴリmの関係を示す使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm を作成するカバレッジ解析ステップと、
１周波数スロット当りの伝送容量ｄ、親局直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力p、スポットビームi中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失を示す伝搬損補正値L(i)、親局で通信に使用可能な送信電力総量Pmaxおよび前記無線通信システムが利用可能な周波数スロット総数F total である親局j情報を取得するステップと、
αをスポットビームのトラヒック需要に対する収容トラヒック量の割合である収容率、F m を前記カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数と規定して、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量P(j)=α(p/d)Σ ｉ L(i)C(i,j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域スロット数Σ m F m が、システム全体の使用可能周波数帯域スロット数F total 以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームi'の所要周波数帯域スロット数α×Ｃ（i'）／ｄが、スポットビームi'の使用可能周波数帯域スロット数Σ m X i'm F m 以下となり、
前記制約条件の下、前記スポットビームのトラヒック需要に対する収容率αを最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出するステップと、
前記周波数スロット数F m と前記使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm との積からスポットビームi'に割り当てる周波数スロット数を算出するステップと、
を有することを特徴とする無線回線割当方法。 - 複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射し、該地表エリアが複数のセルkに区分されている無線通信システムにおける無線回線割当方法であって、
スポットビームi'（i'は親局j及びスポットビームiの組み合わせからなるスポットビームの通しID）の収容トラヒック量Ｃ（i'）、つまり親局j及びスポットビームiに収容するトラヒック量C(i,j)、および地表セル毎の需要トラヒック量D k を決定するトラヒック解析ステップと、
スポットビームi'に対して周波数スロットの割当を行う際に、スポットビームi'と、同一周波数スロットを再利用可能なスポットビーム群を表すカテゴリmの関係を示す使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm を作成するカバレッジ解析ステップと、
１周波数スロット当りの伝送容量ｄ、親局直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力p、スポットビームi中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失を示す伝搬損補正値L(i)、親局で通信に使用可能な送信電力総量Pmaxおよび前記無線通信システムが利用可能な周波数スロット総数F total である親局j情報を取得するステップと、
αを全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率、F m を前記カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数、C k (i,j)を親局j、スポットビームiに収容される地表セル kのトラヒック量と規定して、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量P(j)=(p/d)Σ ｉ L(i)C(i,j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域スロット数Σ m F m が、システム全体の使用可能周波数帯域スロット数F total 以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームi'の所要周波数帯域スロット数Ｃ（i'）／ｄが、スポットビームi'の使用可能周波数帯域スロット数Σ m X i'm F m 以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと前記全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkを照射するスポットビーム(i,j)によって収容されるトラヒック量C k (i,j)の総和Σ ｉ，ｊ C k (i,j)に等しくなり、
前記制約条件の下、前記全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出する第１の算出ステップと、
前記電力量制約条件と、同時に、前記周波数帯域制約条件と、前記第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと前記第１の算出ステップで算出された全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Σ ｉ，ｊ C k (i,j)以下となり、
前記制約条件の下、システム全体の収容トラヒック量Σ i' Ｃ（i'）を最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出する第２の算出ステップと、
前記第２の算出ステップで算出された前記周波数スロット数F m とＸ i'm との積からスポットビームi'に周波数スロット数を割り当てるステップと、
を有することを特徴とする無線回線割当方法。 - 前記第２の算出ステップの前記第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkとセルkのトラヒック収容率αkとの積からなるセルkの収容トラヒック量αk・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
前記セルkのトラヒック収容率αkは、前記第１の算出ステップで算出された全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率α以上であり且つ全セル共通の最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは更に収容率を引き上げることを特徴とする請求項２に記載の無線回線割当方法。 - 前記第２の算出ステップは、
前記システム全体の収容トラヒック量Σ i' Ｃ（i'）から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大化する周波数スロット数F m を算出するものであり、前記セルkのトラヒック収容率αkの偏差を少なくすることを特徴とする請求項３に記載の無線回線割当方法。 - 前記第１のステップ及び／又は前記第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の無線回線割当方法。
- 複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射する無線通信システムにおける無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させるプログラムであって、
スポットビームi'（i'は親局j及びスポットビームiの組み合わせからなるスポットビームの通しID）の需要トラヒック量Ｃ（i'）、つまり親局j及びスポットビームiに収容するトラヒック量C(i,j)を決定するトラヒック解析ステップと、
スポットビームi'に対して周波数スロットの割当を行う際に、スポットビームi'と、同一周波数スロットを再利用可能なスポットビーム群を表すカテゴリmの関係を示す使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm を作成するカバレッジ解析ステップと、
１周波数スロット当りの伝送容量ｄ、親局直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力p、スポットビームi中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失を示す伝搬損補正値L(i)、親局で通信に使用可能な送信電力総量Pmaxおよび前記無線通信システムが利用可能な周波数スロット総数F total である親局j情報を取得するステップと、
αをスポットビームのトラヒック需要に対する収容トラヒック量の割合である収容率、F m を前記カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数と規定して、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量P(j)=α(p/d)Σ ｉ L(i)C(i,j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域スロット数Σ m F m が、システム全体の使用可能周波数帯域スロット数F total 以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームi'の所要周波数帯域スロット数α×Ｃ（i'）／ｄが、スポットビームi'の使用可能周波数帯域スロット数Σ m X i'm F m 以下となり、
前記制約条件の下、前記スポットビームのトラヒック需要に対する収容率αを最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出するステップと、
前記周波数スロット数F m と前記使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm との積からスポットビームi'に割り当てる周波数スロット数を算出するステップと、
を有し、スポットビームiの無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させることを特徴とする無線回線割当プログラム。 - 複数の親局jを有し、該親局jは複数のスポットビームiを用いて地表エリアを照射し、該地表エリアが複数のセルkに区分されている無線通信システムにおける無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させるプログラムであって、
スポットビームi'（i'は親局j及びスポットビームiの組み合わせからなるスポットビームの通しID）の収容トラヒック量Ｃ（i'）、つまり親局j及びスポットビームiに収容するトラヒック量C(i,j)、および地表セル毎の需要トラヒック量D k を決定するトラヒック解析ステップと、
スポットビームi'に対して周波数スロットの割当を行う際に、スポットビームi'と、同一周波数スロットを再利用可能なスポットビーム群を表すカテゴリmの関係を示す使用可能カテゴリマトリックスＸ i'm を作成するカバレッジ解析ステップと、
１周波数スロット当りの伝送容量ｄ、親局直下点での１周波数スロット当りに必要な送信電力p、スポットビームi中心での伝搬損失／直下点での伝搬損失を示す伝搬損補正値L(i)、親局で通信に使用可能な送信電力総量Pmaxおよび前記無線通信システムが利用可能な周波数スロット総数F total である親局j情報を取得するステップと、
αを全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率、F m を前記カテゴリmに割り当てられる周波数スロット数、C k (i,j)を親局j、スポットビームiに収容される地表セル kのトラヒック量と規定して、
電力量制約条件として、各親局の所要電力量P(j)=(p/d)Σ ｉ L(i)C(i,j)が、親局の使用可能電力量Pmax以下となり、同時に、周波数帯域制約条件として、システム全体の所要周波数帯域スロット数Σ m F m が、システム全体の使用可能周波数帯域スロット数F total 以下となり、
第１の制約条件として、スポットビームi'の所要周波数帯域スロット数Ｃ（i'）／ｄが、スポットビームi'の使用可能周波数帯域スロット数Σ m X i'm F m 以下となり、
第２の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと前記全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkを照射するスポットビーム(i,j)によって収容されるトラヒック量C k (i,j)の総和Σ ｉ，ｊ C k (i,j)に等しくなり、
前記制約条件の下、前記全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αを最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出する第１の算出ステップと、
前記電力量制約条件と、同時に、前記周波数帯域制約条件と、前記第１の制約条件とを満たし、
第３の制約条件として、セルkの需要トラヒック量Dkと前記第１の算出ステップで算出された全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率αとの積からなる収容トラヒック量α・Dkが、該セルkの収容トラヒック量Σ ｉ，ｊ C k (i,j)以下となり、
前記制約条件の下、システム全体の収容トラヒック量Σ i' Ｃ（i'）を最大化する周波数スロット数F m を線形計画法を用いて算出する第２の算出ステップと、
前記第２の算出ステップで算出された前記周波数スロット数F m とＸ i'm との積からスポットビームi'に周波数スロット数を割り当てるステップと、
を有し、地表エリアにおけるトラヒック需要の偏りに従って無線回線を割り当てるようにコンピュータを機能させることを特徴とする無線回線割当プログラム。 - 前記第２の算出ステップの前記第３の制約条件は、
セルkの需要トラヒック量Dkにおけるセルkのトラヒック収容率αkの割合量が、該セルkの収容トラヒック量Ckと等しくなり、
前記セルkのトラヒック収容率αkは、前記第１の算出ステップで算出された全地表セル共通のトラヒック需要に対する収容率α以上となり且つ全セル共通の最大収容率α'以下となる
ことにより、収容率を引き上げることが可能なセルは収容率を引き上げるようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項７に記載の無線回線割当プログラム。 - 前記第２の算出ステップは、
前記システム全体の収容トラヒック量Σ i' Ｃ（i'）から、システム全体の最大収容トラヒック量α'・ΣkDkに重み係数δ(0≦δ≦1)を積算したトラヒック量を、差し引いたトラヒック量を最大化する周波数スロット数F m を算出するものであり、前記セルkのトラヒック収容率αkの偏差を少なくするようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項８に記載の無線回線割当プログラム。 - 前記第１のステップ及び／又は前記第２のステップについて、更に第３の制約条件として、セルkを照射する任意の２つの親局の収容トラヒック量は、予め定められた分配比率を中心として一定の余裕範囲に許容されるように分配されるようにコンピュータを機能させることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の無線回線割当プログラム。
- 請求項６から１０のいずれか１項に記載の無線回線割当プログラムを記録した記録媒体。
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