JP4703171B2

JP4703171B2 - 移動衛星通信システムおよび無線リソース割り当て装置

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Publication number: JP4703171B2
Application number: JP2004339246A
Authority: JP
Inventors: 宗生小西; 好典中須賀; 浩二堀川
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006148797A

Description

本発明は、スルーリピータ型の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および無線リソース割り当て装置に関する。

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について、図１を参照して説明する。この移動衛星通信システム１は、マルチビーム衛星中継器２、基地局３および移動局４から構成される。

マルチビーム衛星中継器２は、サービスエリアを形成する複数のビームと基地局３間の中継回線を確立する。また、基地局３と移動局４とは、衛星中継器２の形成する中継回線を用いて通信を行う。

次に、スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器によって提供される中継回線について、図２を参照して説明する。

基地局３と衛星中継器２間の通信回線（フィーダリンク）上には、衛星中継器２と移動局４間の通信回線（サービスリンク）の各ビームに対応する中継信号が周波数分割で配置される。フォワードリンク（基地局３から移動局４方向の通信回線）の場合、衛星中継器２において、フィーダリンクの信号からバンドパスフィルタにより各ビームへの中継信号を取り出し、それらをサービスリンクの各ビームに送信することより、中継処理が行われる。なお、フィルタ処理によって個々のビームの中継信号を抽出するために、フィーダリンク上の各ビームへの中継信号の間にはガードバンドが設けられる。

基地局３と各ビームとの間に確立される中継回線の周波数帯域幅は、フィーダリンクにおける各ビームの中継信号の周波数帯域幅に応じて定まる。なお、図２においては、各中継信号の周波数帯域幅がいずれも一定の値である場合を示すが、実際のシステムでは、フィーダリンクの周波数帯域幅の制限などの理由により、各ビームへの中継信号の周波数帯域幅は任意の値である。

ここで、周波数の繰り返し利用を行わないビーム、つまり、ある一定の周波数帯域幅を共用するビームにおいて、基地局３と移動局４とが通信を行うためには、ビーム間の干渉を生じないように無線リソースを各ビームに配分する必要がある。

例えば、図２において、ビーム１（Ｂｅａｍ＃１）からビームＢ（Ｂｅａｍ＃Ｂ）までの照射領域が隣接すると仮定した場合、周波数の繰り返し利用ができないため、周波数を共用することになる。このとき基地局３において、各ビームに割り当てる無線リソースを配分する技術（多元接続技術や多重化技術）が必要になる。

上述したような特徴を有するスルーリピータ型の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において、無線リソースの分配方法に関する背景技術として、ＦＤＭＡ(Frequency Division Multiple Access)方式を基本としたＴＤＭ(Time Division Multiplexing)方式が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。

この方式は、サービスリンクに割り当てられた周波数帯域幅を所定の周波数帯域幅を持つ複数のキャリアに分割し、さらにそのキャリアをタイムスロットに分割することにより、一つのチャネルを複数の移動局で共有して基地局との通信を行う。ＦＤＭＡにより各キャリアは周波数分割された信号であるため、基地局において各チャネルの送信先となるビームを制御することにより、各ビームへの無線リソース配分を変更することができる。このとき、各キャリアの周波数帯域幅が狭い程、ビーム間のリソース配分をより小さな周波数帯域幅の単位で変更できる。

つまり、ビーム間のリソース配分における柔軟性を高めるためには、１キャリア当りの周波数帯域幅は狭い方が望ましい。ただし、１キャリア当りの周波数帯域幅は、キャリア数をＭとすると、全周波数帯域幅のＭ分の１になる。そのため、１キャリア当りの通信速度の最大値は、サービスリンクに割り当てられている全周波数帯域幅のＭ分の１程度に制限される。

移動局４に１個のキャリアを復調する復調器が搭載されている場合、移動局一局当りの通信速度を大きくするには、キャリアの周波数帯域幅をできるだけ広くする必要がある。また、データ通信のようにランダムに発生するトラヒックを有する複数の移動局を効率よく収容するためには、できるだけ広い周波数帯域幅を持つキャリアを、統計多重効果を発揮できるだけの十分な数の移動局で共有させることが必要である。つまり、通信速度の高速化と大容量化のためには、１キャリア当りの周波数帯域幅は広い方が望ましい。

また、成層圏に滞留する飛行船などの飛翔体を中継局とみなして、高周波帯でデジタル情報信号を無線送信する無線通信システムがある（例えば、特許文献１参照）。
Ｓバンドを用いる国内移動衛星通信システム標準規格 2.0版 ARIB STD-T49 特開２０００−１３２９６号公報

しかしながら、上述した背景技術には以下の問題がある。

ビーム間のリソース配分の柔軟性と通信速度の高速化とは、キャリア数に依存したトレードオフの関係にある。例えば、キャリア数を少なくした場合には１キャリア当りの周波数帯域幅が広くなるため、通信速度の最大値を向上させることができる一方で、１キャリア当りの周波数帯域幅が広くなるため、ビーム間のリソース配分の柔軟性が失われてしまう問題がある。

仮に、上述した移動衛星通信システムに対してマルチキャリア伝送技術を適用することにより、移動局において複数のキャリアを同時に復調することができるならば、通信速度の高速化を実現することができる。しかしながら多数の復調器を移動局に搭載するような単純なマルチキャリア化手法は、移動局の規模を増大させるため、特に移動局の小型化が望まれる移動体通信では、現実的な手段とは言えない問題がある。特に、ビーム間のリソース配分の柔軟性を追求してキャリア数が多くなった場合、より多数の復調器が移動局に必要になるため、移動局の規模がますます増大する。

そこで、本発明の目的は、移動局の大型化を招くことなく、各ビームヘの無線リソース配分の柔軟性と、通信速度の高速化・大容量化を満足することができる移動衛星通信システムおよび無線リソース割り当て装置を提供することにある。

本移動衛星通信システムは、
所定の周波数帯域幅を共用し、異なる照射領域を有する複数のビームにより、周波数軸上で互いに直交関係にあるサブキャリアにより構成されるＯＦＤＭ信号を送信するスルーリピータ型の衛星中継器と、
該衛星中継器により送信されるべき複数のビームに割り当てる無線リソースを制御する基地局と、
前記衛星中継器により照射されたビームを受信する移動局と
を有し、
前記基地局は、
移動局に送信されるべき複数のデータ列毎に、信号を変調する複数の変調処理部と、
前記変調処理部により出力された変調信号を逆高速フーリエ変換する複数の逆高速フーリエ変換部と、
前記衛星中継器により送信されるべき各ビームの識別番号に応じて、前記複数の逆高速フーリエ変換部のうち、前記変調処理部により出力された変調信号が入力されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号を制御し、前記ビームの照射領域内に位置する移動局に送信すべきトラヒック量に応じて、前記各ビームから送信されるＯＦＤＭ信号に含まれるサブキャリア数の配分を制御する第１のスイッチ制御部と、
該第１のスイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に対応する逆高速フーリエ変換部に、前記第１のスイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、前記変調処理部により出力された変調信号を入力する第１のスイッチ部と、
前記逆高速フーリエ変換部により逆高速フーリエ変換された信号を並直列変換する複数の並直列変換部と、
該並直列変換部により並直列変換された信号をフィーダリンク上の各ビームに対応した周波数位置に周波数変換し、前記複数のビームに対応するフィーダリンクの信号を生成する信号生成部と
を有し、
前記移動局は、前記衛星中継器により送信される複数のビームの全周波数帯域で復調を行い、該復調されたサブキャリアのうち、所定の受信品質を有するサブキャリアの情報を利用する。

このように構成することにより、各ビームに割り当てる無線リソースをサブキャリア単位で配分することができる。この場合、受信機、例えば移動局の受信信号をＯＦＤＭ信号とすることにより、ＦＦＴアルゴリズムを利用して、移動局を簡易な装置により構成できる。

本無線リソース割り当て装置は、
スルーリピータ型の衛星中継器から送信されるべき各ビームの識別番号に応じて、基地局の有する複数の逆高速フーリエ変換部のうち、変調信号が入力されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号を制御し、前記ビームの照射領域内に位置する移動局に送信すべきトラヒック量に応じて、各ビームから送信される信号に含まれるサブキャリアの数の配分を制御するスイッチ制御部
を備え、
前記基地局は、
前記スイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に対応する複数の逆高速フーリエ変換部に、前記スイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、移動局に送信されるべき複数のデータ列を変調した信号を入力するスイッチ部を有する。

このように構成することにより、各ビームに割り当てる無線リソースをサブキャリア単位で配分することができる。

本発明の実施例によれば、移動局の大型化を招くことなく、各ビームヘの無線リソース配分の柔軟性と、通信速度の高速化・大容量化を満足することができる移動衛星通信システムおよび無線リソース割り当て装置を実現できる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を用い、繰り返しの説明は省略する。

本発明の実施例にかかる移動衛星通信システムの全体構成と、そのシステムの主要な点における波形について、図３を参照して説明する。

本実施例にかかる移動衛星通信システム１００は、衛星中継器２００、無線リソース割り当て装置を備える基地局３００および受信機としての移動局４００を備える。衛星中継器２００は、例えばスルーリピータ型マルチビーム衛星中継器により構成される。

本実施例にかかる移動衛星通信システム１００は、スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器２００の提供する衛星中継回線を用いて、基地局３００と移動局４００とが通信を行う。

本実施例においては、図３に示すように、衛星中継器２００の照射するビーム数が４である場合について説明する。なお、ビーム数に制限はなく、ビーム数が２以上であれば以下の議論をそのまま適用することができる。

衛星中継器２００が照射するマルチビームの各ビームでは所定の周波数帯域幅が共用され、基地局３００と各ビームとの間に所定の周波数帯域幅を有する中継回線が存在する。なお、図３においては、各ビームの照射領域を円、すなわちビーム２５０_１、２５０_２、２５０_３および２５０_４により示し、これらのビーム２５０_１、２５０_２、２５０_３および２５０_４は該当するビームの信号を所定の通信品質で受信できる範囲を示すものと仮定する。

図３に示すように、移動局４００_１はビーム２５０_１の照射領域に、移動局４００_２はビーム２５０_１の照射領域とビーム２５０_４の照射領域との重複領域に、移動局４００_３はビーム２５０_１〜２５０_４の照射領域の重複領域に存在する。ここで、実際の移動衛星通信システムでは、移動局の数は任意であり、移動局の移動に伴って、移動局の分布は時々刻々と変化する。

衛星中継器２００が照射するマルチビームの各ビームの送信信号は、周波数軸上で互いに直交関係にあるサブキャリアから構成されるＯＦＤＭ信号である。また、各ビームのＯＦＤＭ信号同士も直交関係を有する。ここで、マルチビームの各ビームでは所定の周波数帯域幅が共用される。このため、移動局４００において受信される信号は、各ビームの信号が足し合わされたＯＦＤＭ信号になる。ただし、各ビームのＯＦＤＭ信号同士が互いに干渉しないように、各ビームのＯＦＤＭ信号の各サブキャリアは各々異なる周波数に配置される。

移動局４００では、各ビームで共有する所定の周波数帯域幅を占有するＯＦＤＭ信号の復調処理が行われる。各サブキャリアが直交関係にあることから、復調処理においてＦＦＴアルゴリズムを利用して、全てのサブキャリアが簡易な構成の装置によって一括復調される。

ただし、移動局４００によって復調されるＯＦＤＭ信号の受信電力は、移動局４００の位置によって各ビームの利得が異なるため、サブキャリア毎に異なる。そのため、移動局４００において、ＯＦＤＭ信号を復調した結果として得られる情報のうち、実際に利用できるものは、所定の受信品質を達成する受信電力（以下、所要電力と呼ぶ）を有するサブキャリアの情報だけである。

例えば、図３に示すように、移動局４００_１はビーム２５０_１の照射領域内に存在するため、移動局４００_１の受信電力に示すように、ビーム２５０_１から送信されるサブキャリアの電力は所要電力より大きいが、ビーム２５０_２、２５０_３および２５０_４から送信されるサブキャリアの電力は、所要電力より小さい。よって、移動局４００_１では、ビーム２５０_１から送信されるサブキャリアの情報を利用することができる。

移動局４００の分布状況や各移動局の要求するトラヒックの変動に伴って各ビームに対して要求されるトラヒック量が変動した場合、基地局３００は、各ビームから送信するサブキャリアの本数の割合を変更する。すなわち、複数のビーム間で、各ビームから送信するサブキャリアの配分を変更する。例えば、特定のビームにトラヒックが集中した場合にはそのビームにサブキャリア集中させ、トラヒックが各ビームに分散している場合には各ビームに均等にサブキャリアを割り当てる。

このように、基地局３００において、各ビームに割り当てるサブキャリア数が変更されても、移動局４００の受信する信号はＯＦＤＭ信号の形式である。このため、移動局４００は、常に同一の復調器を使用して、全ての無線リソースを復調対象にすることができる。また、移動局４００の復調器をＦＦＴアルゴリズムによって簡易な構成にでき、移動局４００は多くのサブキャリア数を比較的小さな装置規模により復調することができる。そのため、サブキャリア当りの周波数帯域幅を小さくすることが可能になり、ビーム間の無線リソース配分における柔軟性を高めることができる。

このようにすることにより、基地局３００は、所定の周波数帯域幅によって定まる全無線リソースを、サブキャリア単位で各ビームに対して任意の割合で配分することができる。また、移動局４００では、所要電力を超える電力を有する全てのサブキャリアの情報を利用することにより、最大限の高速化を実現することができる。移動局４００では、全てのサブキャリアの情報が一括して復調されるため、複数のサブキャリアの情報を利用することは容易である。

例えば、ビーム２５０_１の照射領域に存在する移動局４００_１は、ビーム２５０_１に割り当てられたサブキャリアの全てを利用することができる。また、ビームの照射領域の重複領域に存在する移動局は、複数のビームに対応するサブキャリアの情報を同時に利用することができる。例えば、ビーム２５０_１の照射領域とビーム２５０_４の照射領域との重複領域に存在する移動局４００_２はビーム２５０_１とビーム２５０_４から送信されたサブキャリアの情報を利用することができ、ビーム２５０_１〜ビーム２５０_４の照射領域の重複領域に存在する移動局４００_３は全てのサブキャリアの情報を利用することができる。したがって、移動局４００は、簡易な構成の復調器を用いて、所要電力を超える電力を有するサブキャリアを利用することにより、通信速度を改善することができる。

上述したように、基地局３００は、各ビームに割り当てる無線リソースを、複数のビーム間でサブキャリア単位で配分する。また、移動局４００は、受信信号がＯＦＤＭ信号であるため、ＦＦＴアルゴリズムを利用して、その構成を簡易な装置によって実現できる。このため、サービスリンクの各ビームで共有される周波数帯域幅を多数のサブキャリアに分割することができる。すなわち、サブキャリア１本当りの周波数帯域幅を狭くすることができ、ビーム間のリソース配分を柔軟に行うことができる。

また、移動局４００ではＦＦＴアルゴリズムを利用して、ＯＦＤＭ信号を構成する複数のサブキャリアを一括して復調することができる。そのため、移動局４００では、複数のキャリアの情報を同時に利用することができ、基地局３００からの送信データを複数のサブキャリアを用いて並列送信することにより、通信速度の高速化および大容量化を実現することができる。

次に、本発明の実施例にかかる衛星中継器２００、基地局３００および移動局４００の構成について説明する。

最初に、本実施例にかかる衛星中継器２００の構成について、図４を参照して説明する。

本実施例にかかる衛星中継器２００は、フィーダリンクと接続される複数のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２０２_１〜２０２_Ｂと、各バンドパスフィルタ２０２_１〜２０２_Ｂと接続され、ビーム１〜Ｂをサービスエリアに出力する周波数変換器(Frequency converter)２０４_１〜２０４_Ｂとを備える。

次に、本実施例にかかる基地局３００の構成について、図４を参照して説明する。

本実施例にかかる基地局３００は、データ列(Tx data)が入力される複数のチャネル符号化部３０２_１〜３０２_Ｃと、チャネル符号化部３０２_１〜３０２_Ｃと接続される変調処理部３０４_１〜３０４_Ｃと、変調処理部３０４_１〜３０４_Ｃと接続されるスイッチ手段としてのスイッチ３０６と、スイッチ３０６と接続されるマルチキャリア変調手段としての複数のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂ、および無線リソース割り当て手段およびビーム制御手段としてのスイッチ制御部３０８と、各ＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂと接続される並列／直列変換部（Ｐ／Ｓ）３１２_１〜３１２_Ｂと、並列／直列変換部（Ｐ／Ｓ）３１２_１〜３１２_Ｂと接続されるガードインターバル挿入部３１４_１〜３１４_Ｂと、ガードインターバル挿入部３１４_１〜３１４_Ｂと接続される周波数変換器(Frequency converter)３１６_１〜３１６_Ｂと、周波数変換器(Frequency converter)３１６_１〜３１６_Ｂと接続される加算部３１８とを備える。

次に、本実施例にかかる移動局４００の構成について、図５を参照して説明する。

移動局４００は、受信信号(Received signal)が入力されるガードインターバル除去部４０２と、ガードインターバル除去部４０２と接続される直列／並列変換部（Ｓ／Ｐ）４０４と、直列／並列変換部（Ｓ／Ｐ）４０４と接続されるマルチキャリア復調手段としてのＦＦＴ部４０６と、ＦＦＴ部４０６と接続されるスイッチ４０８と、スイッチ４０８と接続される復調処理部４１２_１〜４１２_Ｃおよびスイッチ制御部４１０と、復調処理部４１２_１〜４１２_Ｃと接続され、データ列(Rx data)を出力する復号化処理部４１４_１〜４１４_Ｃとを備える。

基地局３００から移動局４００へ送信する情報として、複数のデータ列(Tx data)が生成される。ここで、データ列の数をＣ個（ただし、Ｃは自然数）とし、各々のデータ列の識別する番号としてｃ（ただし、ｃは１〜Ｃの整数）が付与される。このデータ列は、基地局３００と移動局４００との間でやり取りされる制御情報や通信用データなど、任意の情報によって構成される。

本実施例においては、各データ列の送信先となるビームは予め決められている場合について説明する。ここで、各ビームを識別する番号をｂ（ただし、ｂは１〜Ｂの整数、Ｂは衛星中継器のビーム数）とする。各データ列の情報として、時分割によって異なる移動局宛の情報（例えば、ＩＰ(Internet Protocol)パケットやイーサネット（登録商標）フレームなど）を多重すれば、ＴＤＭ(Time Division Multiplexing)伝送が実現される。

Ｃ個のデータ列は、チャネル符号化部３０２_１〜３０２_Ｃに入力され、その後変調処理部３０４_１〜３０４_Ｃに入力される。チャネル符号化部３０２_１〜３０２_Ｃおよび変調処理部３０４_１〜３０４_Ｃでは、上述したＣ個のデータ列の各々に、チャネル符号化および任意の変調方式による変調処理が施される。この処理において、データ列に多重された情報の送信先となる移動局の状態に応じて、変調方式、符号化方式および符号化率を切り替えることにより、適応変調の実現が可能である。

変調処理を施されたＣ個の送信信号は、Ｃ個の入力ポートとＢ×Ｎ個の出力ポートを備えるスイッチ３０６に入力される。例えば、入力ポートに入力される送信データに、移動局への送信情報が時分割される。ただし、Ｎは後段のＩＦＦＴ(Inverted Fast Fourier Transformation)のポート数である。ここで、スイッチ３０６の入力ポートは上述したデータ列に対応し、番号ｃで識別される。また、出力ポートは、ビーム番号bと、ビーム毎のＩＦＦＴ部の入力ポートに対応する番号ｎ（１〜Ｎの整数）の組み合わせ（ｂ−ｎ）で識別される。

本実施例にかかる基地局３００は、上述したスイッチ３０６の入出力関係を制御するスイッチ制御部３０８を備える。スイッチ制御部３０８は、衛星中継器２００が送信する複数のビームに要求されるトラフィック量、すなわちビームの照射領域内に位置する受信機に送信するトラヒック量に応じて、複数のビーム間で、各データ列の送信先となるビームおよび伝送に使用するサブキャリアの配分すなわち本数を制御する。すなわち、スイッチ制御部３０８は、スイッチ３０６の入出力関係を、ビーム毎のトラヒック量に応じて動的に変更する。

具体的には、スイッチ制御部３０８は、データ列の送信先となるビームをスイッチの出力ポート番号（ｂ−ｎ）のｂを変更することにより制御し、データ列の伝送に用いるサブキャリアの本数をスイッチの出力ポート番号（ｂ−ｎ）のｎを変更することにより制御する。このようにすることにより、スイッチの入出力関係の変更という簡易な処理により、各ビームに対する柔軟な無線リソース割当制御を実現できる。

また、スイッチ３０６は、一部または全ての入力データ列に対して、直列／並列（Ｓ／Ｐ）変換を施す機能を備える。このため、直列／並列変換処理を施されたデータ列が複数のサブキャリアを用いて並列伝送される。スイッチ制御部３０８は、スイッチの直列／並列変換処理を、送信データに要求される通信速度に応じて制御する。この直列／並列変換処理により、送信データ列の通信速度の高速化を実現することができる。このように、送信データ列の通信速度は、並列伝送に利用するサブキャリアの本数によって制御される。このようにすることにより、スイッチの直列／並列変換という簡易な処理により、送信データに対する柔軟な無線リソース割当制御を実現できる。

上述したスイッチ３０６の出力は、Ｎポイントの入力ポートを有するＢ個のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂに入力される。ＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂでは、ＩＦＦＴ処理が行われる。すなわち、各ＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂは、ＦＦＴアルゴリズムを用いて互いに直交関係にあるサブキャリアから構成されるマルチキャリア変調波を生成する。このＩＦＦＴ処理により、各入力ポートの信号がサブキャリアに乗せられ、それらのサブキャリア同士の直交性が保たれたＯＦＤＭ信号が生成される。また、Ｂ個のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂは、サービスリンクの各ビームに対するＯＦＤＭ信号を各々独立して生成する。

なお、Ｂ個のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂは同一構成を有する装置で構成される。このため、Ｂ個のＯＦＤＭ信号のサブキャリア周波数間隔やシンボル周期は同一である。また、各々のＩＦＦＴ部は、サービスリンクに割り当てられた周波数帯域幅の全体にわたるマルチキャリア信号を生成する能力を有する。

このようにして得られたＢ個のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂから出力されるＯＦＤＭ信号は、並列／直列変換部３１２_１〜３１２_Ｂにより並列／直列変換処理を施され、Ｂ個のＯＦＤＭ信号に変換され、ガードインターバル挿入部３１４_１〜３１４_Ｂに入力される。

ガードインターバル挿入部３１４_１〜３１４_Ｂは、シンボル毎にガードインターバルを挿入し、ガードインターバルを挿入したＯＦＤＭ信号を周波数変換器３１６_１〜３１６_Ｂに入力する。周波数変換器３１６_１〜３１６_Ｂは、入力信号をフィーダリンク上の各ビームに対応した周波数位置に変換し、加算部３１８に入力する。加算部３１８では、入力されたＢ個の信号を足し合わせる。

このような処理を行うことにより、各ビームに対応する信号として、周波数分割多重されたフィーダリンクの信号が生成され、基地局３００の送信アンテナから衛星中継器２００に送信される。このように、ＦＦＴアルゴリズムを利用することにより、基地局のマルチキャリア変調器の構成を簡易にすることができ、少なくともビーム毎に直交性を有するマルチキャリア変調波を生成することができる。

衛星中継器２００は、図６に示すように、フィーダリンク上の各ビームに対応する周波数位置にあるＯＦＤＭ信号を、サービスリンクの周波数帯に変換する。

衛星中継器２００は、フィーダリンクの信号を受信すると、ＢＰＦ(Band Pass Filter)２０２_１〜２０２_Ｂに入力する。ＢＰＦ２０２_１〜２０２_Ｂは入力されたフィーダリンクの信号から各ビームに対応する信号を抽出し、周波数変換器２０４_１〜２０４_Ｂに入力する。周波数変換器２０４_１〜２０４_Ｂは、入力信号をサービスリンクの周波数帯へ変換した後に送信する。

衛星中継器２００による中継処理後において、複数のＩＦＦＴ部３１０の生成する複数のマルチキャリア信号を構成するサブキャリアの少なくとも一部が互いに直交関係にある。

このような中継処理により、図６に示すように基地局３００のＩＦＦＴ部３１０_１〜３１０_Ｂにより生成されたＯＦＤＭ信号が、サービスリンクの各ビームとして送信される。なお、各ビームでは所定の周波数帯域幅が共用されるため、各ビームのＯＦＤＭ信号のサブキャリアは異なる周波数に配置され、ビーム間での干渉が防止される。

各ビームのＯＦＤＭ信号を構成するサブキャリア同士が互いに直交性を有する場合、移動局４００の受信信号は、各ビームの利得に応じてサブキャリア毎に電力の異なるＯＦＤＭ信号となる。移動局４００がビーム＃１の照射領域に位置すると仮定した場合における移動局４００の受信信号の一例を図７に示す。

図７によれば、ビーム＃１の信号電力が最も大きくなる。また、その他のビーム＃２〜＃Ｂから送信されたサブキャリアは各ビームの利得に応じた電力を有し、全てのサブキャリアが互いに直交関係にある。

移動局４００では、受信信号(Received signal)がガードインターバル除去部４０２に入力される。ガードインターバル除去部４０２は、受信信号からガードインターバルを除去し、直列／並列変換部（Ｓ／Ｐ）４０４に入力する。直列／並列変換部（Ｓ／Ｐ）４０４は、入力信号を直列／並列変換し、ＮサンプルのＯＦＤＭシンボルを抽出する。また、直列／並列変換部（Ｓ／Ｐ）４０４は、抽出したＮサンプルのＯＦＤＭシンボルをＦＦＴ(Fast Fourier Transform)部４０６に入力する。

ＦＦＴ部４０６は、入力されたＯＦＤＭシンボルに対して、ＮポイントのＦＦＴによる一括復調処理を行う。すなわち、ＦＦＴ部４０６は、ＦＦＴアルゴリズムを用いて、受信信号のうち互いに直交関係にあるサブキャリアに対して一括して復調処理を行う。この一括復調処理の結果、各サブキャリアの情報が得られる。ＦＦＴ部４０６は、得られたサブキャリアの情報を、Ｎ個の入力ポートとＣ個の出力ポートとを有するスイッチ４０８に入力する。このスイッチ４０８における入出力関係は、基地局３００のスイッチ３０６の出入力関係、すなわち出力ポート番号（ｂ−ｎ）と入力ポート番号cとの関係に対応して、番号ｎの入力ポートと番号ｃの出力ポートとを接続することによって定まる。その結果、番号ｃの出力ポートに、番号ｃのデータ列の情報が得られることになる。

また、複数のサブキャリアを用いて並列伝送されたデータ列を取り出すためには、基地局３００のスイッチ３０６における直列／並列変換に対応するように、移動局４００のスイッチ４０８の入力信号に対して並列／直列（Ｐ／Ｓ）変換を施す。スイッチ制御部４１０は、並列／直列（Ｐ／Ｓ）変換の長さを、送信データに要求される通信速度に応じて制御する。並列／直列（Ｐ／Ｓ）変換を施された信号は、復調処理部４１２_１〜４１２_Ｃに入力され、その後復号化処理部４１４_１〜４１４_Ｃに入力される。復調処理部４１２_１〜４１２_Ｃおよび復号化処理部４１４_１〜４１４_Ｃでは、スイッチの出力信号に対して適当な復調処理および復号化処理が行われる。以上の処理を経て、移動局４００においてＣ個のデータ列が得られる。

このように構成することにより、移動局４００は、直交関係にあるマルチキャリア信号を単一の装置によって一括して復調することができるため、マルチキャリア信号を構成する複数キャリアに対して個々に復調器を準備する単純なマルチキャリア処理と比較して、装置規模を抑えることができる。

次に、スイッチ制御部３０８の他の機能について説明する。

スイッチ制御部３０８がスイッチ３０６の出力ポートからＩＦＦＴ部３１０ヘゼロを出力するようにすることにより、そのポートに対応するサブキャリアの周波数位置は信号の無い状態になる。したがって、スイッチ３０６の出力に意図的にゼロを設定することにより、特定の周波数位置に信号の無い状態を強制的に作り出すことができる。

例えば、サービスリンクにおけるＢ個のビームである周波数帯域幅を共用する場合、ビーム間での干渉を防ぐために、スイッチ制御部３０８は、サブキャリアに対応するスイッチ３０６の出力ポート（１−ｎ）〜（Ｂ−ｎ）のうち、ある一つのビームに対応する出力ポートの出力以外はゼロとなるように設定する。

また、各ビームのＯＦＤＭ信号同士の直交性が保たれていない場合、各ビーム間のＯＦＤＭ信号の間にガードバンドが必要となる。このガードバンドを生成する場合、スイッチ制御部３０８は、ガードバンドに相当する周波数にあるサブキャリアに対応するスイッチ３０６の出力ポートからの出力をゼロに設定する。

さらに、サービスリンクの周波数帯の一部に既存のシステムが存在し、本システムを既存システムの後継として導入する場合など、特定の周波数に信号を送信できない状況下において、スイッチ制御部３０８は、既存システムで使用中の周波数位置のサブキャリアに対してスイッチ３０６の出力ポートからの出力をゼロに設定する。このようにすることにより、既存システムに干渉を与えることなく、本システムを導入することが可能である。また、既存システムの縮退に応じて、本システムのサブキャリアを順次ＯＮにすることにより、スムーズなシステム移行が可能になる。

このように、基地局３００のスイッチ制御部３０８は、スイッチ３０６を備える複数の出力ポートのうち、その一部の出力値を零に設定することにより、サービスリンク上の任意の周波数位置に無信号区間を強制的に作り出すことができる。このため、各ビーム間にガードインターバルを設けることや他のシステムへの干渉を避けるような信号割当を実現することができる。

次に、ビーム間ＯＦＤＭ信号の直交性と電力について説明する。

各ビームから送信されるＯＦＤＭ信号のうち、サービスリンクにおいて直交関係にあるＯＦＤＭ信号は、移動局４００において、単一の復調器（ＦＦＴ部）による復調対象となる。特に、全ビームのＯＦＤＭ信号同士の直交関係が保たれている場合、移動局４００ではサービスリンクに割り当てられた全周波数帯域幅にわたるマルチキャリア信号を、単一のＦＦＴ部による復調対象とすることができる。

ただし、データを正しく受信するためには、ＦＦＴ部４０６後段の復調器、すなわち復調処理部４１２とチャネル復号化を行う復号化処理部４１４が正常に動作する必要があり、各ビームの利得に応じてサブキャリアの受信電力が異なるため、移動局４００において必ずしも全てのサブキャリアを復調できる訳ではない。ビームの利得によって、サブキャリアの受信電力が異なる様子を、図７に示す。図７では、移動局４００がビーム＃１の照射領域に位置すると仮定し、ビーム＃１の信号電力が最も大きくなる。したがって、実際の移動局４００は、十分な受信品質の得られるビームに対するデータ列の情報だけを取り出すことができる。

ビームの利得は衛星中継器２００によるビーム配置によって定まるが、重複の無いビーム配置は、実際に実現が不可能であるため、必ず存在することになる。また、移動局４００がより多くのサブキャリアを同時に利用できるように、意図的に照射領域を重複させるビーム配置を適用することも可能である。

例えば、図８に示すように、ビームの照射出力を変えることによりエリアを拡大させて重複範囲を広げるようにしてもよい。図８の場合、ビーム２５０_１の照射出力を変更し照射領域を広げることにより、ビーム２５０_１の照射領域と、ビーム２５０_２、ビーム２５０_３およびビーム２５０_４の照射領域の重複領域を広げることができる。

また、図９に示すように、照射領域の中心を移動させ、重複範囲を広げるようにしてもよい。図９の場合、ビーム２５０_１の照射領域の中心をビーム２５０_４の照射領域側に移動させることにより、ビーム２５０_４の照射領域との重複領域を広げることができる。

次に、直交性の維持について、説明する。

移動局４００が単一の復調器（ＦＦＴ部）を用いて、サービスリンクに割り当てられた全周波数帯域幅にわたるマルチキャリア信号を一括して復調するためには、サービスリンクにおいて各ビームのＯＦＤＭ信号同士が直交性を有する必要がある。直交性を保つためには、各ビームのＯＦＤＭ信号の周波数間隔をＯＦＤＭシンボル周波数の整数倍にし、かつシンボルタイミングを揃える必要がある。

次に、衛星中継回線における直交性の劣化要因について、図１０を参照して説明する。

衛星中継回線では、基地局３００において各ビームに対するＯＦＤＭ信号をフィーダリンク上の所定の周波数位置に配置する処理と、衛星中継器２００におけるフィーダリンクからサービスリンクへの中継処理の、２度の周波数変換処理が行われる。この周波数変換処理によって生じる周波数誤差が、各ビームのＯＦＤＭ信号間の直交性を劣化させる要因の一つである。しかしながら、基地局３００では、一般に高精度な発振器が用いられるため、各ＯＦＤＭ信号を所定の周波数位置に精度よく配置することができる。また、衛星中継器２００では、一般的に、同一のクロック源を参照信号とする周波数変換器２０４を用いて各ビームの信号を変換するため、各ビームの変換周波数誤差の差分は十分に小さくなる。そのため、サービスリンクにおいて全サブキャリアの周波数間隔をシンボル周波数の整数倍に保つことは容易に実現できる。

また、衛星中継器２００において、内部回路の経路長差に起因した各ビーム間の伝播遅延時間差により、各ビームのＯＦＤＭ信号のシンボルタイミングにズレが生じる。そのため、各ＯＦＤＭ信号のシンボルタイミングが衛星中継処理後において同期状態になるように、基地局３００では送信タイミングを制御する必要がある。ここで、各ＯＦＤＭシンボルに、十分な長さのガードインターバル（各シンボルの後半部分をシンボルの前方にコピーした信号）を付加することにより、伝送効率がその長さに応じて低下するが、衛星中継器２００において生じる伝送遅延時間差による直交性の劣化を防ぐことが容易になる。

例えば、図７に示した基地局３００から送信された各ビームのＯＦＤＭ信号を同時に送信したとき、衛星中継処理後の信号では各ビームのＯＦＤＭ信号に時間差を生じる。この時間差がガードインターバルより短いならば、ビーム間のＯＦＤＭ信号で直交性の劣化を生じることなく、ＯＦＤＭシンボルを抽出することができる。厳密には、送信タイミングの誤差と衛星中継器２００による遅延時間差の和が、ガードインターバルより短ければ、各ビームのＯＦＤＭ信号の直交性が保たれることになるため、ガードインターバルの挿入により、送信タイミング制御の誤差も許容できる。

このように、マルチキャリア信号の１シンボル毎に、該シンボルを周期的に繰り返した信号区間（ガードインターバル）を付加することにより、衛星中継器２００において生じる各ビームの遅延時間差に起因する直交性の劣化を低減させ、各ビーム間の信号の直交性を容易に保つことができる。

本発明の実施例によれば、スルーリピータ型のマルチビーム衛星中継器を用いた衛星通信システムにおいて、サブキャリア単位の無線リソースを各ビームへ任意の割合で配分することができる。

また、移動局では、ＦＦＴアルゴリズムを利用して、簡易な装置構成によって装置規模の増大を避けながら復調器を実現することができる。また、移動局を簡易な装置構成で実現できるため、多数のサブキャリアを用いて周波数帯域を細かく分割することが可能になり、ビーム間の無線リソース配分がより柔軟になる。

また、ＦＦＴアルゴリズムを用いて移動局が多数のサブキャリアを一括して復調できるため、送信データを複数のサブキャリアを用いて並列伝送することにより、通信速度の高速化を実現することができる。

また、ビームの重複する領域に存在する移動局では、複数のビームから送信されるＯＦＤＭ信号を同時に復調することができるため、通信速度の高速化を実現することができる。また、この効果を狙って、意図的にビームの照射領域を重複させるビーム配置にすることができる。

また、基地局および移動局のスイッチを動的に制御することにより、移動局のサービスエリア内の分布や災害などの突発的なイベントが発生した場合に発生する各ビームのトラヒック変動に合わせて、各ビームに配分する無線リソースを制御することができる。

また、基地局のスイッチにおける出力ポートの一部に意図的にゼロを設定することにより、特定の周波数位置に信号の無い状態を強制的に作り出すことができる。そのため、ビーム間の信号の直交性が得られない場合にはガードバンドを自由に設けることができる。また、既存システムとの共存や、かつ、既存システムから本実施例のシステムヘの円滑な移行を実現することができる。

また、ガードインターバルを挿入することにより、基地局や衛星中継器において特別な同期制御を行うことなく、サービスリンクにおける各サブキャリアの直交性を保つことが容易になる。

また、移動局がビーム間を移動した場合、ＯＦＤＭ復調における再同期処理が必要ないため、移動局のシームレスな移動を実現し、移動局のモビリティを向上させることができる。

本発明にかかる移動衛星通信システムおよび無線リソース割り当て装置は、スルーリピータ型の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に適用できる。

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を示す模式図である。スルーリピータ型の衛星中継器による中継処理を示す説明図である。本発明の実施例にかかる移動衛星通信システムの構成およびそのシステムの主要な点における波形を示す模式図である。本発明の一実施例にかかる移動衛星通信システムにおける基地局および衛星中継器の構成を示すブロック図である。本発明の一実施例にかかる移動衛星通信システムにおける移動局の構成を示すブロック図である。各ビームにおけるＯＦＤＭ信号の中継処理を示す説明図である。移動局の受信信号の一例を示す説明図である。本発明の実施例にかかる移動衛星通信システムの構成を示す模式図である。本発明の実施例にかかる移動衛星通信システムの構成を示す模式図である。衛星中継回線における直交性の劣化要因を示す説明図である。

符号の説明

１、１００移動衛星通信システム
２衛星中継器
３基地局
４移動局
２００スルーリピータ型マルチビーム衛星中継器
３００基地局
４００４００_１、４００_２、４００_３移動局

Claims

所定の周波数帯域幅を共用し、異なる照射領域を有する複数のビームにより、周波数軸上で互いに直交関係にあるサブキャリアにより構成されるＯＦＤＭ信号を送信するスルーリピータ型の衛星中継器と、
該衛星中継器により送信されるべき複数のビームに割り当てる無線リソースを制御する基地局と、
前記衛星中継器により照射されたビームを受信する移動局と
を有し、
前記基地局は、
移動局に送信されるべき複数のデータ列毎に、信号を変調する複数の変調処理部と、
前記変調処理部により出力された変調信号を逆高速フーリエ変換する複数の逆高速フーリエ変換部と、
前記衛星中継器により送信されるべき各ビームの識別番号に応じて、前記複数の逆高速フーリエ変換部のうち、前記変調処理部により出力された変調信号が入力されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号を制御し、前記ビームの照射領域内に位置する移動局に送信すべきトラヒック量に応じて、前記各ビームから送信されるＯＦＤＭ信号に含まれるサブキャリア数の配分を制御する第１のスイッチ制御部と、
該第１のスイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に対応する逆高速フーリエ変換部に、前記第１のスイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、前記変調処理部により出力された変調信号を入力する第１のスイッチ部と、
前記逆高速フーリエ変換部により逆高速フーリエ変換された信号を並直列変換する複数の並直列変換部と、
該並直列変換部により並直列変換された信号をフィーダリンク上の各ビームに対応した周波数位置に周波数変換し、前記複数のビームに対応するフィーダリンクの信号を生成する信号生成部と
を有し、
前記移動局は、前記衛星中継器により送信される複数のビームの全周波数帯域で復調を行い、該復調されたサブキャリアのうち、所定の受信品質を有するサブキャリアの情報を利用する移動衛星通信システム。
請求項１に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記第１のスイッチ部は、前記変調処理部により出力された変調信号の少なくとも一部の変調信号を直並列変換し、該直並列変換された変調信号を、前記第１のスイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、前記第１のスイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に応じた複数の逆高速フーリエ変換部に入力することを特徴とする移動衛星通信システム。
請求項２に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記移動局は、
前記衛星中継器からの受信信号を直並列変換する直並列変換部と、
該直並列変換部により直並列変換された受信信号を高速フーリエ変換する高速フーリエ変換部と、
該高速フーリエ変換部により高速フーリエ変換された信号を復調する複数の復調部と、
該復調部により復調された信号のうち、所定の受信品質を有するサブキャリアの情報を復号する復号化処理部と、
前記第１のスイッチ制御部により制御されるべき各ビームから送信されるＯＦＤＭ信号に含まれるサブキャリア数に基づいて、前記高速フーリエ変換部により出力されるべきＯＦＤＭシンボルを前記複数の復調部のうち、前記複数のデータ列に応じた数の復調部に入力する第２のスイッチ部と、
前記第１のスイッチ部により直並列変換された変調信号を、前記第２のスイッチ部が並直列変換するように制御する第２のスイッチ制御部と
を有する
ことを特徴とする移動衛星通信システム。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記第１のスイッチ制御部は、前記衛星中継器により送信されるべき各ビームの識別番号に対応する逆高速フーリエ変換部以外の逆高速フーリエ変換部へ入力されるべき変調信号を零とするように制御することを特徴とする移動衛星通信システム。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記基地局は、
送信すべきトラフィック量に応じて、各ビームの照射出力および照射領域の少なくとも一方を変更するビーム制御部
を備えることを特徴とする移動衛星通信システム。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記並直列変換部により並直列変換された信号の１シンボル毎に、ガードインターバルを付加するガードインターバル挿入部
を備えることを特徴とする移動衛星通信システム。
請求項３に記載の移動衛星通信システムにおいて、
前記高速フーリエ変換部は、前記直並列変換部により直並列変換された受信信号を一括して高速フーリエ変換することを特徴とする移動衛星通信システム。
スルーリピータ型の衛星中継器から送信されるべき各ビームの識別番号に応じて、基地局の有する複数の逆高速フーリエ変換部のうち、変調信号が入力されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号を制御し、前記ビームの照射領域内に位置する移動局に送信すべきトラヒック量に応じて、各ビームから送信される信号に含まれるサブキャリアの数の配分を制御するスイッチ制御部
を備え、
前記基地局は、
前記スイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に対応する複数の逆高速フーリエ変換部に、前記スイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、移動局に送信されるべき複数のデータ列を変調した信号を入力するスイッチ部
を有することを特徴とする無線リソース割り当て装置。
請求項８に記載の無線リソース割り当て装置において、
前記基地局は、
移動局に送信されるべき複数のデータ列毎に、信号を変調する複数の変調処理部
を有し、
前記複数の逆高速フーリエ変換部は、前記複数の変調処理部により変調された変調信号を逆高速フーリエ変換し、
前記スイッチ部は、前記変調処理部により出力された変調信号の少なくとも一部の変調信号を直並列変換し、該直並列変換された変調信号を、前記スイッチ制御部により制御されるべきサブキャリア数に応じて、前記スイッチ制御部により制御されるべき逆高速フーリエ変換部の識別番号に応じた複数の逆高速フーリエ変換部に入力することを特徴とする無線リソース割り当て装置。
請求項８または９に記載の無線リソース割り当て装置において、
送信すべきトラフィック量に応じて、各ビームの照射出力および照射領域の少なくとも一方を変更するビーム制御部
を備えることを特徴とする無線リソース割り当て装置。