JP4821575B2

JP4821575B2 - 地上通信局、データリンク通信システム及びそれらに用いるアップリンク送信制御方法

Info

Publication number: JP4821575B2
Application number: JP2006314939A
Authority: JP
Inventors: 和典石川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008131408A

Description

本発明は地上通信局、データリンク通信システム及びそれらに用いるアップリンク送信制御方法に関し、特に航空機と地上通信局との間で行われるデータリンク通信に関する。

現在、航空機と地上通信局との間で行われるデータリンク通信には、ＡＣＡＲＳ（ＡｉｒｃｒａｆｔＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＡｄｄｒｅｓｓｉｎｇａｎｄＲｅｐｏｒｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）（例えば、特許文献１参照）、もしくはＶＤＬ［ＶＨＦ（ＶｅｒｙＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）ＤｉｇｉｔａｌＬｉｎｋ］モード２の通信方式が用いられている。

これらの通信はＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による送信制御であり、地上通信局は覆域拡大のために複数局によって構成される。また、これらは同一周波数によって通信が行われている。

上記のデータリンク通信のシステム構成を図６に示す。図６において、データリンク通信のシステムは、地上通信局（１）１１と、地上通信局（２）１２と、機上局（１）３と、機上局（２）４と、機上局（３）５と、センタ局６とから構成され、７は地上通信局（１）１１と地上通信局（２）１２との間の地上通信局干渉範囲である。

アップリンク送信制御は、地上通信局各々でチャンネルの空きを検出することによって行われるため、地上通信局各々の送信タイミングは非同期で運用されている。このため、地上通信局のアップリンク送信が同時に行われた場合、受信すべき対象となる航空機のＤ／Ｕ（ＤｅｓｉｒｅｄｔｏＵｎｄｅｓｉｒｅｄｐｏｗｅｒｒａｔｉｏ）比によってアップリンクの到達が困難となる場合がある。

特に、ダウンリンクデータに対するＡＣＫ（ＡＣＫｎｏｗｌｅｄｇｅｍｅｎｔ：応答確認）データが到達しない場合には、ダウンリンクデータの再送を誘発することから、メッセージの遅延時間が増大すると伴に、輻輳によるスループットが低下するという問題が生じる。このため、電波干渉を抑圧するための方法としては、一方の地上通信局からの送信電力を小さくし、干渉範囲を制限する方法もある。

特開平１１−０６４５１１号公報

しかしながら、上述した従来のアップリンク送信制御方法では、一方の地上通信局からの送信電力を小さくし、干渉範囲を制限する方法の場合、ＣＳＭＡによる通信方式のため、遠方にいる航空機が送信電力を低下させることによって、チャンネルの空きと判断し、他の機上機からの干渉を招き易いというデメリットが生まれるので、必ずしも有効な手段とはならない。

また、従来のアップリンク送信制御方法としては、地上通信局間の送信状態を何らかの方法によって検出し、隣接する地上通信局が送信している場合、他方の地上通信局の送信を停止させるという方法もあるが、その間の送信停止による、実効スループットの低下が生じるという問題もある。

そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、地上通信局間干渉を抑止することができる地上通信局、データリンク通信システム及びそれらに用いるアップリンク送信制御方法を提供することにある。

本発明による地上通信局は、航空機に搭載の機上局との間で、同一周波数で運用されかつＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による地対空無線通信を行う地上通信局であって、
地上通信局間通信に使用される送信ステータス及び送信許可ステータスを隣接する地上通信局との間で相互に通信して送信制御を行う手段を備えている。

本発明によるデータリンク通信システムは、上記の地上通信局を具備している。

本発明によるアップリンク送信制御方法は、複数の地上通信局が航空機に搭載の機上局との間で、同一周波数で運用されかつＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による地対空無線通信を行うデータリンク通信システムに用いるアップリンク送信制御方法であって、
前記複数の地上通信局各々が、地上通信局間通信に使用される送信ステータス及び送信許可ステータスを隣接する地上通信局との間で相互に通信して送信制御を行う処理を実行している。

すなわち、本発明のデータリンク通信システムは、同一周波数で運用されかつＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による地対空無線通信を行うシステムにおいて、地上通信局間の送信制御を最適化することによって、アップリンク成功率とデータスループットの向上とを目的とした通信制御を実現可能としている。

本発明のデータリンク通信システムでは、地上通信局相互の干渉を抑圧するアップリンク送信状態ステータスと送信抑圧とを軽減させるための手段として、目的送信先の機上局受信信号レベルに応じて、隣接する地上通信局間の送信の影響によって干渉を与えうるものであるかを判定し、その結果に基づいたアップリンク送信許可信号を相互に交換することで、実効スループットの向上を図っている。

上記のように、本発明のデータリンク通信システムでは、隣接する地上通信局の「送信ステータス」を相互に通信することによって、地上通信局間干渉を抑止することが可能となる。この場合、地上通信局は、航空機からの受信レベルに応じて「送信許可ステータス」を判定するため、他装置からの情報や接続を必要としない。

また、本発明のデータリンク通信システムでは、送信電力を変化させることがないため、機上局側のＣＳＭＡ判定には影響を与えないことから、機上局間との干渉を増加するものではない。その場合、アップリンク制御シーケンスの変更のみであり、機上局には特別な変更を必要としない。

さらに、本発明のデータリンク通信システムでは、「送信許可ステータス」を相互に通信することで、隣接する地上通信局が送信中においてもアップリンク送信が可能となるため、実効スループットを向上させることが可能となる。

さらにまた、本発明のデータリンク通信システムでは、航空機毎に得られた「干渉ステータス」をリンクテーブルに保持することで、他の地上通信局が送信中であったとしても、「干渉ステータス」の値から送信先の機上局を選び出すことで、より高いアップリンク成功率が可能となる。

リンクテーブルは他の地上通信局からの送信ステータス情報と、送信許可ステータス情報と、自局の航空機毎の干渉ステータス情報との簡単なマトリックスで構成されるため、送信制御が容易である。

地上通信局間通信に使用される送信ステータス情報及び送信許可ステータス情報は、“１”、“０”の論理情報だけであるため、通信回路が容易となり、リアルタイム性に優れる。

本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、地上通信局間干渉を抑止することができるという効果が得られる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例によるデータリンク通信システムの構成を示すブロック図である。図１において、本発明の一実施例によるデータリンク通信システムは、地上通信局（１）１と、地上通信局（２）２と、機上局（１）３と、機上局（２）４と、機上局（３）５と、センタ局６とから構成されており、７は地上通信局（１）１と地上通信局（２）２との間の地上通信局干渉範囲を示している。また、地上通信局（１）１及び地上通信局（２）２はそれぞれリンクテーブル１１，２１を備えている。

図２は本発明の一実施例によるデータリンク通信システムで用いる送信マトリクスを示す図であり、図３は図１の地上通信局（２）２のリンクテーブル２１の構成例を示す図であり、図４は図１の地上通信局（１）１のリンクテーブル１１の構成例を示す図である。

図２において、送信マトリクスは、送信ステータス（「１」）、送信許可ステータス（「１」，「０」）、干渉ステータス（「１」，「０」）、自局送信（「送信不可」、「送信可」）とから構成されている。

図３において、地上通信局（２）２のリンクテーブル２１は、ＩＤ（ＩＤｅｎｔｉｆｉｅｒ）（「機上局３」）、受信電力（「−６０」）、地上通信局１干渉電力（「−８０」）、必要Ｄ／Ｕ（ＤｅｓｉｒｅｄｔｏＵｎｄｅｓｉｒｅｄｐｏｗｅｒｒａｔｉｏ）値（「１５」）、干渉ステータス（「０」）、送信許可ステータス（「１」）とから構成されている。

ここで、「ＩＤ」は地上通信局（２）２と接続されているローカル番号、「受信電力」は地上通信局（２）２で受信した最新の受信電力、「干渉電力」は隣接する地上通信局（１）１が送信した時の受信電力［不明の場合には、地上通信局（２）２における覆域内での最大受信電力］、「必要Ｄ／Ｕ値」は同一チャンネル干渉によって受信可能な希望波と不要波との比である。

「干渉ステータス」は受信電力、干渉電力、必要Ｄ／Ｕ値の項目からリンクされている航空機毎に求められ、該当の隣接する地上通信局（１）１からの送信によって干渉を受ける可能性があるか否かを示し、後述する（１）式から計算される。「送信許可ステータス」は「干渉ステータス」の論理反転したものであり、該当する航空機に送信の際、隣接する地上通信局（１）１に対して出力される。

図４において、地上通信局（１）１のリンクテーブル１１は、ＩＤ（「機上局１」，「機上局２」）、受信電力（「−６３」，「−８０」）、地上通信局２干渉電力（「−８０」，「−８０」）、必要Ｄ／Ｕ値（「１５」，「１５」）、干渉ステータス（「０」，「１」）、送信許可ステータス（「１」，「０」）とから構成されている。

図５は図１に示す地上通信局（１）１のプロトコルスタックを示す図である。図５において、地上通信局（１）１のプロトコルレイヤは、物理層１２と、ＭＡＣ（ＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）層１３と、ＤＬＳ（ＤａｔａＬｉｎｋＳｅｒｖｉｃｅ）層１４とから構成され、その周辺回路としてインバータ１５、アンドゲート１６、オアゲート１７、ナンドゲート１８を備えている。尚、地上通信局（２）２のプロトコルスタックは、上記の地上通信局（１）１のプロトコルスタックと同様の構成及び動作となっている。

物理層１２はデータの送受信を行い、受信信号検出をオアゲート１７に出力するとともに、送信ステータスを出力する。ＭＡＣ層１３は物理層１２及びＤＬＳ層１４とのデータの受け渡しを行い、オアゲート１７からＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）結果を受取る。ＤＬＳ層１４はＩＤ、受信レベルを基にリンクテーブル１１を検索して送信許可ステータスを得るとともに、干渉ステータスをアンドゲート１６、ナンドゲート１８に出力する。

インバータ１５は入力される送信許可ステータスを反転してオアゲート１７に出力する。この場合、送信許可ステータスはリンクテーブル１１にも送られる。アンドゲート１６は入力される送信ステータスとＤＬＳ層１４からの干渉ステータスとの論理積をとり、その演算結果をオアゲート１７に出力する。

オアゲート１７は物理層１２からの受信信号検出とインバータ１５の出力とアンドゲート１６の出力との論理和をとり、その演算結果をＣＳＭＡ結果としてＭＡＣ層１３に出力する。ナンドゲート１８は物理層１２からの送信ステータスとＤＬＳ層１４からの干渉ステータスとの否定論理積をとり、その演算結果を送信許可ステータスとして出力する。

以下、図１〜図５を参照して本発明の一実施例によるデータリンク通信システムの動作について説明する。尚、機上局（１）３は地上通信局（１）１と、機上局（３）５は地上通信局（２）２と、機上局（２）４は地上通信局（１）１とそれぞれ通信状態にあり、かつ隣接する地上通信局（２）２の有効通信覆域内にあり、地上通信局干渉範囲７にあるものとする。

機上局（３）５のダウンリンクメッセージが地上通信局（２）２に正常に到達した時、地上通信局（２）２は、ダウンリンクメッセージとともに、受信レベルを保存する。正常にメッセージを受信した場合には、地上通信局（２）２から機上局（３）５へ応答送信を行う。

この時、地上通信局（２）２では、送信期間中を示す送信ステータスを“１”にセットするとともに、干渉ステータスビットを隣接する地上通信局（１）１へ提供する。

この干渉ステータスビットは、隣接する地上通信局（１）１から干渉を受ける可能性があるか否かを示すものであり、送信先［機上局（３）５］の前回記録した受信信号レベルに応じて、決定される。例えば、機上局（３）５の受信レベルが十分に高く、地上通信局（１）１の影響を受けることがないのであれば、送信許可ステータスを“１”にセットし、受信レベルが小さく、干渉の受ける可能性がある場合には送信許可ステータスを“０”にセットする。

同様にして、地上通信局（１）１側でも受信した機上局（２）４の受信信号レベルが隣接する地上通信局（２）２の影響を受ける可能性があるのであれば、干渉ステータスを“１”にをセットし、影響を受ける可能性がないのであれば干渉ステータスを“０”にセットする。

地上通信局（１）１及び地上通信局（２）２は、隣接する地上通信局によって、地上通信局間の干渉がある場合には、隣接する地上通信局の送信ステータスと、送信許可ステータス及び自局の管轄する機上局の干渉ステータスとの３つの情報から送信制御を行う。すなわち、地上通信局（１）１及び地上通信局（２）２は図２に示す送信マトリクスの条件から自局の送信の可否を行う。

地上通信局（２）２では、接続されている機上局ＩＤ毎にリンクテーブル２１を作成する。この地上通信局（２）２のリンクテーブル２１の構成例を図３に示す。

ここで、リンクテーブル２１に保持する干渉ステータスの算出方法について説明する。干渉ステータスは、
「受信電力」−「必要Ｄ／Ｕ」−「干渉電力」≧０であれば、
干渉ステータス＝０
「受信電力」−「必要Ｄ／Ｕ」−「干渉電力」＜０であれば、
干渉ステータス＝１・・・（１）
という式から算出される。

地上通信局（２）２では、アップリンク送信の際にリンクテーブル２１を検索し、該当する航空機に応じた「送信許可ステータス」値と「送信ステータス」値とを隣接する地上通信局（１）１に伝送する。伝送には、空間のチャンネル空き情報と同等の意味合いを持つため、リアルタイム性が要求される。したがって、この伝送としては、最短経路かつ単純な伝送路で構成されることが望ましい。

一方、受け取り側の隣接する地上通信局（１）１でも、上記の地上通信局（２）２と同様に、リンクテーブル１１を作成する。この地上通信局（１）１のリンクテーブル１１の構成例を図４に示す。
隣接する地上通信局（１）１からの「送信ステータス」と「送信許可ステータス」との入力は、自局からの送信が可能か否かを決定する「ＣＳＭＡ結果」としてＭＡＣ層１３に連結する。

他の地上通信局からの「送信ステータス」及び「送信許可ステータス」のいずれもが“０”であれば、自局が送信可能かどうかは、従来のＣＳＭＡ制御と同じく、物理層１２でチャンネルが空いているか否かで決定される。一方、上述した条件に照らし合わせて地上通信局（２）２の立場で考えると、他局からの「送信ステータス」＝“１”、「送信許可ステータス」＝“１”が受信された場合、地上通信局（２）２から送信することは可能である。

次に、地上通信局（１）１の干渉によって受信できなければ、無駄にチャンネルを占有するため、地上通信局（２）２は「送信許可ステータス」にてリンクテーブル２１に問い合わせを行い、「干渉ステータス」＝“０”を検索する。図４に示す構成例から機上局（１）３が検索され、送信メッセージとして送出される。この送信メッセージの送信の際に、地上通信局（２）２は「送信ステータス」と「送信許可ステータス」とを隣接する地上通信局（１）１に伝送する。

このように、本実施例では、隣接する地上通信局の「送信ステータス」を相互に通信することによって、地上通信局間の干渉を抑止することができるという効果が得られる。地上通信局は、航空機からの受信レベルに応じて、「送信許可ステータス」を判定するため、他装置からの情報や接続を必要としない。

この場合、本実施例では、送信電力を変化させることがないため、機上局側のＣＳＭＡ判定には影響を与えないことから、機上局間との干渉を増加するものではない。上記のように、本実施例では、アップリンク制御シーケンスの変更のみであり、機上局には特別な変更を必要としない。

また、本実施例では、「送信許可ステータス」を相互に通信することで、隣接する地上通信局が送信中においてもアップリンク送信が可能となるため、実効スループットを向上させることができる。
航空機毎に得られた、リンクテーブルに「干渉ステータス」を持つことで、他地

さらに、本実施例では、地上通信局が送信中であったとしても、「干渉ステータス」の値から送信先の機上局を選び出すことで、より高いアップリンク成功率を得ることができる。

さらにまた、本実施例では、他の地上通信局からの送信ステータス、送信許可ステータス情報と、自局の航空機毎の干渉ステータスとの簡単なマトリックスで構成されるため、送信制御が容易となる。地上通信局間の通信に使用される送信ステータス、送信許可ステータス情報は、“１”、“０”の論理情報だけであるため、通信回路が容易となり、リアルタイム性に優れるという効果が得られる。

尚、本発明では、「送信許可ステータス」を隣接する地上通信局間で相互に通信することによって、自局の送信によって他の地上通信局の目的とする航空機に干渉を及ぼす可能性がないと識別された場合、アップリンク送信が可能となるため、「干渉ステータス」のステータスに関わらずに送信することで、実効スループットを向上させる可能性が残されている。

仮に、「干渉ステータス」＝“１”として干渉の可能性がある航空機に対して送信を試み（メッセージ送信は応答確認であることを条件とする）、応答確認が該当航空機から送信された場合には、リンクテーブル１１，２１にある「干渉ステータス」を“０”に変える。この“０”に変える方法としては、「干渉ステータス」が“０”となる干渉電力を変化させることによって、実環境に基づいた値が推定可能となる。

同様の考えで、「干渉ステータス」＝“０”として、干渉がないと判断された航空機に対する応答確認（メッセージ送信は、応答確認であることを条件とする）がない場合、再送回数毎に、干渉電力を変化させることによって、実環境に基づいた値が推定可能となる。

この他、本実施例では、機上局の受信メッセージで得られた受信電力と受信時刻との履歴から、現在時刻での推定、受信電力を導くことも考えられる。

隣接する地上通信局がｎ局存在する場合には、対応した「送信ステータス」と「送信許可ステータス」とを接続し、また、ｎ個の隣接する地上通信局に応じたリンクテーブルを作成する。これによって、隣接する地上通信局に応じた干渉電力を与えることが可能となる。

本発明は、同一周波数を使用した対空無線通信に適用可能である。

本発明の一実施例によるデータリンク通信システムの構成を示すブロック図である。本発明の一実施例によるデータリンク通信システムで用いる送信マトリクスを示す図である。図１の地上通信局（２）２のリンクテーブル２１の構成例を示す図である。図１の地上通信局（１）１のリンクテーブル１１の構成例を示す図である。図１に示す地上通信局（１）１のプロトコルスタックを示す図である。従来のデータリンク通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１地上通信局（１）
２地上通信局（２）
３機上局（１）
４機上局（２）
５機上局（３）
６センタ局
７地上通信局干渉範囲
１１，２１リンクテーブル
１２物理層
１３ＭＡＣ層
１４ＤＬＳ層
１５インバータ
１６，１８アンドゲート
１７オアゲート

Claims

航空機に搭載の機上局との間で、同一周波数で運用されかつＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による地対空無線通信を行う地上通信局であって、
地上通信局間通信に使用される送信ステータス及び送信許可ステータスを隣接する地上通信局との間で相互に通信して送信制御を行う手段を有することを特徴とする地上通信局。
前記送信許可ステータスを、前記地上通信局が受信した前記機上局の受信レベルと、干渉電力と、同一チャンネル干渉によって受信可能な希望波と不要波との比を示す必要Ｄ／Ｕ（ＤｅｓｉｒｅｄｔｏＵｎｄｅｓｉｒｅｄｐｏｗｅｒｒａｔｉｏ）値とから算出することを特徴とする請求項１記載の地上通信局。
前記送信許可ステータスを、前記隣接する地上通信局数とリンクされている機上局数分保持するリンクテーブルを含むことを特徴とする請求項２記載の地上通信局。
前記隣接する地上通信局からの送信ステータス及び送信許可ステータスと自局で算出した干渉ステータスとから送信制御を行うことを特徴とする請求項２または請求項３記載の地上通信局。
前記干渉ステータスを、前記送信許可ステータスの反転論理とすることを特徴とする請求項４記載の地上通信局。
前記隣接する地上通信局が送信中にある時に、前記干渉ステータスにて干渉の可能性があると判定される航空機に送信し、アップリンクデータが成功した時に前記干渉ステータスを前記干渉の可能性がないとの情報に変更することを特徴とする請求項４または請求項５記載の地上通信局。
前記干渉ステータスにて干渉の可能性がないと判定される航空機に送信し、その応答確認がない場合に再送回数毎に干渉電力を変化させることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか記載の地上通信局。
請求項１から請求項７のいずれか記載の地上通信局を含むことを特徴とするデータリンク通信システム。
複数の地上通信局が航空機に搭載の機上局との間で、同一周波数で運用されかつＣＳＭＡ（ＣａｒｒｉｅｒＳｅｎｓｅＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ）方式による地対空無線通信を行うデータリンク通信システムに用いるアップリンク送信制御方法であって、
前記複数の地上通信局各々が、地上通信局間通信に使用される送信ステータス及び送信許可ステータスを隣接する地上通信局との間で相互に通信して送信制御を行う処理を実行することを特徴とするアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記送信許可ステータスを、前記地上通信局が受信した前記機上局の受信レベルと、干渉電力と、同一チャンネル干渉によって受信可能な希望波と不要波との比を示す必要Ｄ／Ｕ（ＤｅｓｉｒｅｄｔｏＵｎｄｅｓｉｒｅｄｐｏｗｅｒｒａｔｉｏ）値とから算出することを特徴とする請求項９記載のアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記送信許可ステータスを、前記隣接する地上通信局数とリンクされている機上局数分保持するリンクテーブルを含むことを特徴とする請求項１０記載のアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記隣接する地上通信局からの送信ステータス及び送信許可ステータスと自局で算出した干渉ステータスとから送信制御を行うことを特徴とする請求項１０または請求項１１記載のアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記干渉ステータスを、前記送信許可ステータスの反転論理とすることを特徴とする請求項１２記載のアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記隣接する地上通信局が送信中にある時に、前記干渉ステータスにて干渉の可能性があると判定される航空機に送信し、アップリンクデータが成功した時に前記干渉ステータスを前記干渉の可能性がないとの情報に変更することを特徴とする請求項１２または請求項１３記載のアップリンク送信制御方法。
前記複数の地上通信局各々が、前記干渉ステータスにて干渉の可能性がないと判定される航空機に送信し、その応答確認がない場合に再送回数毎に干渉電力を変化させることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか記載のアップリンク送信制御方法。