JP5246689B2 - 宇宙通信システム - Google Patents

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Description

本発明は、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムに関する。
近年において、宇宙空間における地球周回軌道を周回する人工衛星等により、地球上の地上局や、海上の船舶あるいは航空機等との間で通信を行い、或いは地球上の地上局からの要求に従って地球上の２点間の中継通信を行う宇宙通信システムの実用化が進展している。また特に近年において、地球上の各観測領域において電磁波がどれだけ放射されているかを人工衛星により検出し、これを地球上へと送信する宇宙通信システムも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
このような宇宙通信システムにおいて、いわゆるデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）技術を利用して地球上と無線通信を行い、或いは地球上の各観測領域の電磁波放射状態を検出するニーズが高まっている。ちなみに、このＤＢＦは、共通の信号源からの信号を複数のアンテナ素子により受信し、これらに信号を位相遅延処理や振幅制御を施した後に合成することにより、複数のアンテナを介して一つの指向性を与える技術である。このＤＢＦでは、受信したアンテナ素子毎の信号について、それぞれＡＤ変換することにより、デジタル的に信号の処理を行うものである。従来において、デジタルビームフォーミングを適用した宇宙通信技術として、例えば特許文献２の開示技術が提案されている。
特開平１１−２６１４６４号公報 特開平１１−１２７０９８号公報
ところで、このようなデジタルビームフォーミングを適用した宇宙通信技術において、例えば各アンテナ素子において受信した信号につき施すべき位相遅延処理や、その他各種ビームフォーミングに関する処理は、人工衛星内で行うのが一般的である。しかしながら、これらの各種処理は、その人工衛星に搭載可能な信号処理能力と、人工衛星が供給できる消費電力による制限を受けることになる。即ち、人工衛星に対して多大な信号処理を担わせることなく、また衛星内の電力の消費を抑制することにより、人工衛星自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能な宇宙通信システムを提案する必要性があった。
また、各種ビームフォーミングに関する処理を人工衛星内で実行する従来型のシステムにおいては、ビームフォーミング処理回路を人工衛星に搭載して宇宙空間に打ち上げた後、新たに開発された信号処理アルゴリズム等を事後的にこれに組み込むことが不可能であった。このため、ビームフォーミング処理回路を逐次バージョンアップすることが困難であり、宇宙通信システム全体の汎用性や柔軟性を低下させているという問題点があった。
また、特に地球上に構築された例えばＬ２／Ｌ３ネットワークとの間で宇宙通信する人工衛星では、これら地球上のネットワークに応じたアドレスをフレームデータに挿入しておくことにより、データの伝送効率を向上させる必要性もあった。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、デジタルビームフォーミングを適用した宇宙通信技術において、特に人工衛星内における各種ビームフォーミングに関する処理の負担を軽減させることにより、人工衛星自体の軽量化、低消費電力化を図ることができ、ひいてはシステム全体の汎用性や柔軟性、データの伝送効率を向上可能な宇宙通信システムを提供することにある。
請求項１記載の宇宙通信システムは、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、地球上における各観測領域が放射する電磁波を検出する１又は複数のアンテナ素子と、上記各アンテナ素子により検出された電磁波に基づく信号をそれぞれＡＤ変換するＡＤ変換手段と、上記ＡＤ変換手段によりＡＤ変換されたアンテナ素子毎の信号を上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいてそれぞれアンテナ素子に対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成するフレーム化処理手段と、上記フレーム化処理手段により生成されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信する衛星通信手段とを有し、上記地上通信ネットワークは、上記人工衛星群から上記フレーム化データを受信する地上局と、上記地上局を介して上記フレーム化データが送信される複数の通信端末とを有し、上記通信端末は、上記受信した各アンテナ素子に対応したフレーム化データから地球上における所望観測領域に応じたアンテナの指向性を適応的に形成することにより、特定の観測領域の電磁波放射状態を識別可能とされていることを特徴とする。
請求項８記載の宇宙通信システムは、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、上記地上通信ネットワークは、所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを送信する通信端末と、上記１以上の通信端末から上記フレーム化データを受信した場合にこれに含まれる宛先領域に関する情報に基づいて合成した新たなフレーム化処理を施すことにより新たなフレーム化データを生成し、これを上記人工衛星群へと送信する地上局とを有し、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信する衛星通信手段と、各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数のアンテナ素子と、上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている情報に基づいて上記アンテナ素子毎に振り分け、フレームに含まれる実情報を抽出するフレーム分配・分解手段と、上記フレーム分配・分解手段により得られたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給するＤＡ変換手段とを有し、上記地上局又は通信端末は、上記宛先領域に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム毎に実施することを特徴とする。
請求項１３記載の宇宙通信システムは、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、上記地上通信ネットワークは、所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報又は上記人工衛星群内における宛先アンテナ素子に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを送信する通信端末と、上記１以上の通信端末から送信されてきた上記データを上記人工衛星群へと送信する地上局とを有し、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信する衛星通信手段と、地球上における上記宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数のアンテナ素子と、上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている宛先領域に関する情報又は使用すべきアンテナ素子に関する情報に基づいて分類するスイッチング手段と、上記スイッチング手段により分類されたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給するＤＡ変換手段とを有することを特徴とする。
請求項１４記載の宇宙通信システムは、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、地球上における各観測領域から発信される、互いに宛先が異なる無線信号を複数の端末から検出する１又は複数のアンテナ素子と、上記各アンテナ素子により検出された信号をそれぞれＡＤ変換するＡＤ変換手段と、上記ＡＤ変換手段によりＡＤ変換されたアンテナ素子毎の信号にビームフォーミング処理を施して複数のビーム方向又はビームパターンにおける受信信号としてこれを分離する移相器ネットワークと、上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいて各ヘッダに上記ビーム方向又はビームパターンに関する情報を含めつつそれぞれに対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成するフレーム化処理手段と、上記フレーム化処理手段により生成されたフレーム化データを上記ヘッダ情報に基づいて多重化する多重化手段と、上記多重化手段により多重化されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信する衛星通信手段とを有し、上記地上通信ネットワークは、上記人工衛星群から上記フレーム化データを受信する地上局と、上記地上局を介して上記フレーム化データが送信される複数の通信端末とを有し、上記通信端末又は上記地上局は、上記観測領域に対応する特定のビーム方向又はビームパターンで放射された信号のみを検出することを特徴とする。
請求項２０記載の宇宙通信システムは、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、地球上における各観測領域が放射する電磁波を１又は複数のアンテナ素子を介して検出し、上記各アンテナ素子により検出した電磁波に基づく信号をそれぞれＡＤ変換し、上記ＡＤ変換したアンテナ素子毎の信号を上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいてそれぞれアンテナ素子に対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成し、上記生成したフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信し、上記地上通信ネットワークでは、上記人工衛星群から地上局により上記フレーム化データを受信し、上記地上局を介して上記フレーム化データを複数の通信端末へ送信し、上記通信端末では、上記受信した各アンテナ素子に対応したフレーム化データから地球上における所望観測領域に応じたアンテナの指向性を適応的に形成することにより、特定の観測領域の電磁波放射状態を識別可能とすることを特徴とする。
請求項２２記載の宇宙通信方法は、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、上記地上通信ネットワークでは、所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを通信端末から送信し、地上局が上記１以上の通信端末から上記フレーム化データを受信した場合にこれに含まれる宛先領域に関する情報に基づいて合成した新たなフレーム化処理を施すことにより新たなフレーム化データを生成し、これを上記人工衛星群へと送信し、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信し、上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている情報に基づいて、各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数の上記アンテナ素子毎に振り分け、フレームに含まれる実情報を抽出し、上記フレーム分配・分解手段により得られたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給し、上記地上局又は通信端末では、上記宛先領域に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム毎に実施することを特徴とする。
請求項２３記載の宇宙通信方法は、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、上記地上通信ネットワークでは、所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報又は上記人工衛星群内における宛先アンテナ素子に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを通信端末から送信し、上記１以上の通信端末から送信されてきた上記データを地上局により上記人工衛星群へと送信し、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信し、上記受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている宛先領域に関する情報又は使用すべきアンテナ素子に関する情報に基づいて分類し、上記分類したアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給し、上記信号を１又は複数のアンテナ素子により、地球上における上記宛先領域に対してそれぞれ送信することを特徴とする。
請求項２４記載の宇宙通信方法は、地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、地球上における各観測領域から発信される、互いに宛先が異なる無線信号を１又は複数のアンテナ素子を介して検出し、上記各アンテナ素子により検出した信号をそれぞれＡＤ変換し、上記ＡＤ変換したアンテナ素子毎の信号にビームフォーミング処理を施して複数のビーム方向又はビームパターンにおける受信信号としてこれを分離し、上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいて各ヘッダに上記ビーム方向又はビームパターンに関する情報を含めつつそれぞれに対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成し、上記生成したフレーム化データを上記ヘッダ情報に基づいて多重化し、上記多重化手段により多重化されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信し、上記地上通信ネットワークでは、上記人工衛星群から地上局を介して上記フレーム化データを受信し、上記地上局を介して上記フレーム化データを複数の通信端末へ送信し、上記通信端末又は上記地上局では、上記観測領域に対応する特定のビーム方向又はビームパターンで放射された信号のみを検出することを特徴とする。
上述した構成からなる本発明によれば、従来において人工衛星内において行われていた、各アンテナ素子において受信した信号につき施すべき位相遅延処理や、その他各種ビームフォーミングに関する処理を、通信端末側において実行させつつ、所望領域における電磁波放射状態を識別することが可能となる。このため、本発明では、かかるビームフォーミングに基づく多大な信号処理負担を人工衛星に負担させることが無くなり、また人工衛星内の電力の消費を抑制することにより、人工衛星自体の軽量化、低消費電力化、および汎用化を図ることが可能なシステム構成とすることが可能となる。またこの通信端末５３において実行するビームフォーミング処理は、従来のように人工衛星に搭載可能な信号処理能力や、人工衛星が供給できる消費電力による制限を受けることも無くなることから、本来のところ人工衛星において搭載が困難であった大きな消費電力が必要となる高度かつ高速なビームフォーミングの計算処理を行うことが可能なシステム構成とすることも可能となる。
また本発明では、ビームフォーミング処理を地上通信ネットワークにおける通信端末に担わせることが可能となることから、事後的に信号処理アルゴリズム等が開発された場合においても、これをその通信端末へ容易に組み込むことが可能となる。また、ビームフォーミング処理回路を逐次バージョンアップできるシステムとすることで、宇宙通信システム全体の汎用性や柔軟性を向上させることも可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態として、地上の通信ネットワークと人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した宇宙通信システム１の全体構成を示している。この宇宙通信システム１は、地球４における周回軌道を周回する複数の人工衛星２からなる人工衛星群３と、地球４上に構築された地上通信ネットワーク５とを備えている。
この宇宙通信システム１は、人工衛星群３のうち何れか一の人工衛星２ａにより地球上のある観測領域Ａ〜Ｃの電磁波放射状態を検出し、これを他の人工衛星２ｂを介して地球上の地上通信ネットワーク５へと送信するものである。
人工衛星群３は、いわゆる地球の自転周期と一致する軌道周期をもつ地球周回軌道としての対地同期軌道（GEO：Geostationary Earth Orbit）を周回するものであってもよいし、地上高約５００〜２０００ｋｍに位置する軌道上にあって地球の自転周期とは無関係に回る低軌道（LEO: Low Earth Orbit)を周回するものであってもよい。また、これらGEO,LEOを周回するものに限定されるものではなく、他のいかなる周回軌道を周回するものであってもよい。
人工衛星群３は、少なくとも２体の人工衛星２からなる。以下の例では、人工衛星群３について、一の人工衛星２ａと他の人工衛星２ｂの２体で構成している場合を例にとり説明をするが、３体以上で構成されていてもよいことは勿論である。また、この人工衛星２ａにより検出された電磁波放射状態をあくまで人工衛星２ｂを介することなく、この人工衛星２ａから地上通信ネットワーク５へ直接送信するようにしてもよく、また人工衛星２ａ又は人工衛星２ｂからの送出すべき信号を更なる他の図示しない人工衛星を介した複数の通信リンクで地上通信ネットワーク５へ送信するようにしてもよい。
図２は、人工衛星２ａのシステムブロック構成図である。人工衛星２ａは、ｋ個からなる広ビームのアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋと、このアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋの出力端に接続されている受信部２２と、この受信部２２に接続されているＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋと、このＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋからデジタルデータが供給されるフレーム化処理部２５と、フレーム化処理部２５からフレームデータが供給される電気−光変換部２６と、電気−光変換部２６の出力側に接続されている多重化処理部２７と、多重化処理部２７において多重化されたデータを他の人工衛星２ｂ又は地球４上の地上通信ネットワーク５へ向けて送信するための衛星通信部２９とを備えている。また、この人工衛星２ａは、アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋや受信部２２を制御するためのアンテナ・周波数制御部３０と、フレーム化処理部２５におけるフレーム化処理を制御するフレーム化制御部３１とをさらに備えている。
アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋは、地球４上の広覆域にある複数の電波源からの電磁信号を捉え、この捕捉したこの電波信号を出力する。即ち、この複数のアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより、地球４上における各観測領域の電磁波放射状態を検出することが可能となる。
受信部２２は、このアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋからの出力信号が供給され、これを高周波増幅するとともに、アンテナ・周波数制御部３０による制御の下で、入力信号を低域周波数の信号へ周波数変換する。
ＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋは、いわゆるＡＤコンバータで構成され、受信部２２から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、これをフレーム化処理部２５へと出力する。ちなみに、このＡＤ変換部２４＿ｎは、アンテナ素子２１＿ｎの受信信号をそれぞれＡＤ変換することになる。
フレーム化処理部２５は、フレーム化制御部３１による制御の下で、ＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋから供給されるデジタル信号をフレーム化データ列に変換する。フレーム化処理部２５は、ＩＰプロトコル用のＩＰヘッダやイーサネット（登録商標）用のＭＡＣヘッダを付加する、更には適切なラベルやタグを挿入する等のフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成する。
なお、以下の説明においては、地上通信ネットワーク５がＬ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成されている場合において、フレーム化処理部２５は、かかる地上通信ネットワーク５としてのＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理を施す場合を例にとり説明をするが、これに限定されるものではない。即ち、このフレーム化処理部２５は、地上通信ネットワーク５内の通信プロトコルに基づいたフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成するものであればよい。フレーム化処理部２５は、それぞれアンテナ素子に対応したフレーム化データを生成することになる。
電気−光変換部２６は、フレーム化処理部２５において生成されたフレーム化データを電気−光変換して光フレーム化データに変換するための素子で構成される。この電気−光変換部２６は、供給される電気信号を光信号に変換する、いわゆるレーザダイオード（ＬＤ）等で構成されていてもよい。
多重化処理部２７は、電気−光変換部２６において生成された光フレーム化データを多重化させ、これを衛星通信部２９へ伝送する。衛星通信部２９は、この多重化された光フレーム化データからなる光信号を直接的に又は他の人工衛星２ｂを介して間接的に地上通信ネットワーク５へ送信する。
アンテナ・周波数制御部３０は、予め実装されたソフトウェアに基づいて、アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋや受信部２２を制御する制御ユニットとして構成されるが、地上通信ネットワーク５からの適応的なソフトウェアダウンロードによって再構成可能な装置として構成されたものでもよい。
フレーム化制御部３１は、予め実装されたソフトウェアに基づいて、フレーム化処理部２５を制御する制御ユニットとして構成されるが、地上通信ネットワーク５からの適応的なソフトウェアダウンロードによって再構成可能な装置として構成されたものでもよい。
図３は、地上通信ネットワーク５の構成を示している。
地上通信ネットワーク５は、人工衛星群３からフレーム化データを受信する地上局５１と、この地上局５１に対してスイッチ５２を介して接続された複数の通信端末５３ａ〜５３ｃと、ネットワーク全体を制御するための制御局５４とを備えている。ちなみに、この地上通信ネットワーク５を構成する各デバイスは光ファイバ５０を介して接続され、互いに光通信でデータを伝送することを前提としているが、これに限定されるものではなく、電気信号を介してデータを伝送するようにしてもよい。かかる場合には、各デバイス間を接続する光ファイバ５０の代替として、電線や無線回線が用いられることになる。
地上局５１は、人工衛星群３から送信されてくる光信号を受信し、これをスイッチ５２を介して通信端末５３へと送信する。ちなみに、この地上通信ネットワーク５が電気信号を介してデータを伝送するシステムとされている場合に、この地上局５１は、これを光−電気変換することで電気信号からなるフレーム化データ列を生成することになる。
スイッチ５２は、例えばイーサネット（登録商標）プロトコル規格のいわゆるイーサスイッチに準拠したＩＰルータやＬ２／Ｌ３スイッチ、ＡＴＭスイッチ等である。このスイッチ５２には、小規模ＬＡＮで使用される安価なスイッチで適用されていてもよく、光ファイバ５０を接続するためのポートが複数に亘り設けられている。図３に示す例では、スイッチ５２とスイッチ５２とが光ファイバ５０を介して接続されており、このスイッチ５２と光スイッチ５２とで接続される地上通信ネットワーク５をイーサネット（登録商標）として活用している。また、地上通信ネットワーク５をイーサネット（登録商標）で構成する場合のみならず、ＩＰネットワークやＡＴＭネットワークで構成するようにしてもよい。
制御局５４は、この地上通信ネットワーク５において必要とされる制御処理全般と変復調処理、また必要に応じて地上局５１経由で受信するフレーム化データに含まれる電磁波信号の復調と復調データの再フレーム化処理を行う。例えば、制御局５４は、スイッチ５２から伝送されてきた光信号を分波し、これを光−電気変換することにより電気フレーム化データ列を生成する。また、この制御局５４は、生成した電気信号につき、更にデフレーム化処理を施して抽出した実データ部をＤＡ変換してアナログ信号を生成し、これを復調器で復調することで情報データが復調される。更に必要に応じてこれを地上通信ネットワーク５へ送出する際には、適切なフレーム化処理を施して送出する。
通信端末５３は、光ファイバ５０を介してスイッチ５２ひいては地上局５１との間でデータを送受信することが可能なデバイスとして構成され、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等である。但し、この通信端末５３としては、無線通信を介して地上通信ネットワークにアクセス可能なものであってもよい。
次に、本発明を適用した宇宙通信システム１の動作について説明をする。
先ず、アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより、地球４上における各観測領域の電磁波を検出する。ここでは、地球４上の観測領域Ａ〜Ｃにおいて放射される電磁波もこのアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより検出されることになる。このアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより検出された電磁波信号は、受信部２２へと送られる。
アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋから電磁波信号が送られてきた受信部２２では、これを先ず低雑音増幅し、さらに低域周波数の信号へ周波数変換する。受信部２２から出力された低域周波数信号は、ＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋにおいてそれぞれＡＤ変換される。
次にフレーム化処理部２５において、ＡＤ変換部２４＿１〜２４＿ｋから供給されるデジタル信号に、ＩＰプロトコル用のＩＰヘッダやイーサネット（登録商標）用のＭＡＣヘッダを付加する。
図４(a)は、フレーム化処理部２５において生成されるフレームデータの構成例を示している。なお、ＭＡＣフレーム構成はいわゆるＭＰＬＳ技術や、タグＶＬＡＮ技術を用いる場合にはこの構成に限られるものではない。この生成されるフレーム６はＩＥＥＥ８０２．３に規定するＭＡＣフレーム構成に準拠しており、フレームの開始を予告する７オクテットのプリアンブル６１と、実際のフレーム開始を表す１オクテットのＳＦＤ（Start Frame Delimiter）６２と、フレームの送信先を表す６オクテットの発信先ＭＡＣアドレス６３と、フレーム送信元を表す６オクテットの発信元ＭＡＣアドレス６４と、データの長さやフレームのタイプを表す２オクテットのフレーム長／フレームタイプ６５と、４６〜１５００オクテットのデータ部６６と、データ確認用の４オクテットのＦＣＳ（Frame Check Sequence）６７とから構成されている。データ部６６は、ＩＰヘッダ６６ａと、ＡＤ変換部３５が出力した低域周波数の電磁波信号がデジタル信号に変換された実データ部６６ｂとからなる。なお、以下では、プリアンブル６１〜ＩＰヘッダ６６ａに至る部分までをヘッダ部６８という。
ちなみに、このヘッダ部６８には、宛先情報として宛先地上局や宛先通信端末に関する情報が含まれており、発信元情報として発信元衛星や発信元アンテナ素子に関する情報が含まれている。また発信元の情報として発信元衛星を特定する情報や上記衛星内の対応するアンテナ素子を特定する情報が含まれる。更にこのフレーム６におけるヘッダ部６８には、制御部３０が用いた周波数変換に関わる情報を含めてもよい。
フレーム化処理部２５では、このようなフレームを、それぞれアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応させてそれぞれ生成するフレーム化処理を行う。この例では、フレーム６の数ｎを、ｋとが等しい場合を想定している。図４(b)は、各アンテナ素子２１毎に対応させて個別に生成したフレーム６＿１〜６＿ｎを示している。即ち、この図４(b)では、＃ｎ番目のアンテナ素子２１＿ｎに対応するフレーム６がフレーム６＿ｎとなる。各フレーム６＿１〜６＿ｎは、それぞれ上述したヘッダ部６８と実データ部６６ｂとから構成されることになる。このフレーム化処理部２５における処理段階において各フレーム６＿１〜６＿ｎは未だ互いに独立したフレームとして構成されている。そして、これら各フレーム６＿１〜６＿ｎは、互いに異なるＭＡＣアドレス、並びにＩＰアドレスがヘッダ部６８に割り当てられている。
次に、この各フレーム６＿１〜６＿ｎは、電気−光変換部２６において電気−光変換され、さらに多重化処理部２７において多重化され、衛星通信部２９から直接的に又は他の人工衛星２ｂを介して間接的に地上通信ネットワーク５へ送信される。
人工衛星群３からフレーム化データを受信した地上局５１は、これを地上通信ネットワーク５を構成する各通信端末５３ａ〜５３ｃに対してスイッチ５２を介して送信する。スイッチ５２では、マルチキャスト機能に基づいて人工衛星群３から受信したフレーム化データをコピーし、これを複数の各通信端末５３ａ〜５３ｃへ分配することも可能になる。ちなみに、このスイッチ５２は、受信したフレーム化データにおけるフレーム６のヘッダ部６８のみを読み取り、これに記述された宛先アドレスやラベル、タグ等情報を検出して、これを宛先となる次のスイッチ５２や、宛先となる制御局５４宛先となる通信端末５３へと導くことが可能となる。
上述したフレーム６＿１〜６＿ｎからなるフレーム化データがスイッチ５２を介して配信されてきた通信端末５３においては、これを解析することにより、所望の観測領域における電磁波放射状態を識別する。
例えば、通信端末５３を操作するユーザが、地球上におけるある観測領域の電磁波放射状態の確認を希望する場合、この通信端末５３を通じてその希望観測領域を入力する。仮に通信端末５３ａを通じて地球上の観測領域Ａの電磁波放射状態を確認したい旨が入力されたものとする。かかる場合において、通信端末５３ａは、フレーム６の転送をリクエストする。このリクエストを受けた地上通信ネットワーク５は、かかる通信端末５３ａに対してフレーム６＿１〜６＿ｎを転送することになる。これらフレーム６は、フレーム化処理部２５において、Ｌ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダが付されていることから、この地上通信ネットワーク５内においてもこれらのヘッダを介して所望の宛先の通信端末５３ａへの伝送が容易に実現可能となる。
通信端末５３ａは、フレーム６＿１〜６＿ｎを受信し、個々のフレーム６＿１〜６＿ｎから得た実データ部に対して、所望の観測領域Ａに応じた適切な実時間遅延制御又は振幅制御を加えて合成処理することにより、所望の観測領域Ａの信号のみを抽出し、その電磁波の放射状態を識別することが可能となる。希望観測領域として、他の観測領域ＢやＣが入力された場合についても同様に、フレーム６＿１〜６＿ｎを受信し、個々のフレーム６＿１〜６＿ｎに対して、所望の観測領域ＢやＣに応じた適切な実時間遅延制御又は振幅制御を加えて合成処理することにより、その電磁波の放射状態を識別することが可能となる。
またスイッチ５２では、マルチキャスト機能に基づいて人工衛星群３から受信したフレーム化データをコピーし、これを各通信端末５３ａ〜５３ｃへ分配することが可能なため、各端末装置５３ａ〜５３ｃにおいて、互いに同一又は異なる観測領域の電磁波放射状態を同時に識別することも可能となる。
このように本発明を適用した宇宙通信システム１においては、地球４上における各観測領域Ａ〜Ｃの電磁波放射状態を複数のビームフォーミング用のアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより受信し、そのアナログ波形を維持した状態で、換言すればこの受信した信号を復調することなく、これをデジタル信号化した上で、地上通信ネットワーク５におけるＬ２／Ｌ３スイッチネットワークに対応するように、Ｌ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理を施す。また、かかるフレームデータを受信した地上通信ネットワーク５上の通信端末は、各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応したフレームから観測領域に応じて指向性を適応的に変化させることにより、その電磁波放射状態を識別する。
これにより、従来において人工衛星内において行われていた、各アンテナ素子において受信した信号につき施すべき位相遅延処理や、その他各種ビームフォーミングに関する処理を、通信端末５３側において実行させつつ、所望領域における電磁波放射状態を識別することが可能となる。このため、本発明では、かかるビームフォーミングに基づく多大な信号処理負担を人工衛星２に負担させることが無くなり、また人工衛星２内の電力の消費を抑制することにより、人工衛星２自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能なシステム構成とすることが可能となる。またこの通信端末５３において実行するビームフォーミング処理は、従来のように人工衛星に搭載可能な信号処理能力や、人工衛星が供給できる消費電力による制限を受けることも無くなることから、本来のところ人工衛星において搭載が困難であった大きな消費電力が必要となる高度かつ高速なビームフォーミングの計算処理を行うことが可能なシステム構成とすることも可能となる。
また本発明では、ビームフォーミング処理や変復調に関わる信号処理をすべて地上通信ネットワーク５における通信端末５３又は制御局５４などに担わせることが可能となることから、事後的に信号処理アルゴリズム等が開発された場合や、復調すべき情報の変調方式が変更された場合においても、これをその通信端末５３へ容易に組み込むことが可能となる。また、ビームフォーミング処理回路を逐次バージョンアップできるシステムとすることで、宇宙通信システム１全体の汎用性や柔軟性を向上させることも可能となる。
しかも本発明では、Ｌ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理が施されているため、地上通信ネットワーク５におけるＬ２／Ｌ３スイッチネットワークにおいて、複数の通信端末５３が同じアンテナ素子２１の信号を要求した場合においても、地上通信ネットワーク５上の各ノードを構成するスイッチ５２においてフレーム６を複製して分配するマルチキャスト機能やブロードキャスト機能の利用が可能となる。このため、地上通信ネットワーク５内におけるフレームデータの伝送負荷を最小限に低減させることが可能となる。
なお、上述した例において、フレーム化処理部２５は、地上通信ネットワーク５としてのＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付す場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではない。アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋ毎のフレーム６＿１〜６＿ｋに対して更にＬ４（トランスポート層）ヘッダを付すようにしてもよい。これにより、地上通信ネットワーク５においてＬ４を介したデータの配信も可能となり、より汎用性を向上させることも可能となる。
なお、この宇宙通信システム１においては、各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより検出された電磁波が予め変調されていた場合にこれを復調することなくそれぞれＡＤ変換する。そして、実際にビームフォーミング処理を行う通信端末５３が受信したフレーム化データを復調するように制御する。これにより、人工衛星２において、信号を復調するためのシステムを組み込む必要が無くなることから、人工衛星２に対する処理負担を軽減でき、更なる軽量化、低消費電力化を図ることが可能となる。
また、ビームフォーミング処理を通信端末５３に担わせる場合に限定されるものではなく、これを制御局５４や地上局５１において実行するようにしてもよい。かかる場合には、通信端末５３は、制御局５４に対して所望の観測領域を通知し、これを受けた制御局５４がその観測領域に応じて適切な実時間遅延制御又は振幅制御を加えて合成処理することにより、その電磁波の放射状態を識別し、その結果を通信端末５３へ通知する処理を行うことになる。
また、この宇宙通信システム１では、あくまで人工衛星群３と地上通信ネットワーク５との間で光通信によりデータを伝送する以外に、電波を介して伝送するようにしてもよい。
また、この宇宙通信システム１では、必ずしも１機の人工衛星２を介して電磁波を検出する場合に限定されず、複数の人工衛星２により、電磁波を検出し、それぞれ上述したプロセスに基づいてフレームデータ化した後に地上通信ネットワーク５へそれぞれ送出するようにしてもよい。比較的少数のアンテナ素子２１を搭載した人工衛星２を複数機に亘って地球４上を周回させ、これらから得たフレームデータを集約して信号処理することにより、事実上、１機の人工衛星２に膨大な数のアンテナ素子２１を搭載したのと同等の効果を得ることができ、鋭いビーム特性を実現することが可能となる。また、任意の方向から放射されてくる微弱な電磁波をこれら複数の人工衛星２で漏れなく検出することも可能となる。
更に、この宇宙通信システム１では、フレーム化処理部２５において生成したフレーム化データ６＿１〜６＿ｎを、多重化処理部２７ｂにおいて複数に分離し、これを衛星通信部２９を介して他の図示しない人工衛星へ送信し、当該他の図示しない人工衛星から地球４上の図示しない地上通信ネットワークへと送信するようにしてもよい。この図示しない地上通信ネットワークは、上述した地上通信ネットワーク５とは異なるものである。
かかる場合では、分離したフレーム化データ６＿１〜６＿５を、図示しない一の人工衛星へ送信し、この一の人工衛星は、図示しない一の地上通信ネットワークへとこれを送信し、また分離したフレーム化データ６＿６〜６＿１０を、図示しない他の人工衛星へ送信し、この他の人工衛星は、図示しない他の地上通信ネットワークへとこれを送信し、更に残りのフレーム化データ６＿１１〜６＿ｎを地上通信ネットワーク５へと送信するようにしてもよい。これによりいわゆるダイバーシチーと同様の効果を発揮させることが可能となる。なお、このプロセスにおいては、多重化処理部２７において、Ｌ２／Ｌ３スイッチと同様の機能を実装させることにより、これらを自動的に分離させることができる。
なお、本発明において、地上局５１又は通信端末５３は、受信したフレーム化データから受信品質を解析し、この解析した受信品質に基づいて、人工衛星２に対して分解能を可変制御するための制御信号を送信し、人工衛星２は、受信した制御信号に基づいてＡＤ変換部２４におけるＡＤ変換の分解能を制御するようにしてもよい。 特に本発明においては、システムの柔軟性を向上できる代わりに、通信ネットワークに対するデータ伝送量の負荷が大きくなる虞もある。ちなみに、この通信ネットワークにおけるデータ伝送量は、ＡＤ変換部２４におけるサンプリングレートと、ＡＤ変換部２４における分解能の双方に比例する。
ちなみにこのＡＤ変換部２４におけるサンプリングレートは、検出を望む無線帯域幅により支配され、最低でも帯域幅の２倍のサンプリングレートが必要となる。これに対してＡＤ変換部２４における分解能は、伝送すべきフレーム化データのＳＮ比に関する品質を決定する。このＡＤ変換部２４において分解能を減少させると、ネットワーク全体に対する負荷、即ち、所要伝送レートを減少させることができるが、却って信号品質が悪化してしまう。しかしながら、アプリケーションによっては、このＡＤ変換部２４における分解能がオーバースペックとなる場合もある。このため、地上局５１又は通信端末５３は、信号品質が多少悪化しても問題が無いものと判断した場合に、人工衛星２に対して上記制御信号を送信する。人工衛星２は、制御信号を受けた場合に、これに基づいてＡＤ変換部２４における分解能を減少させるための制御を行うことになる。
また本発明では、いわゆる電波監視のようにストリーミング的に常時受信電波を伝送し続ける必要は無く、上述した処理自体を間欠的に行うものであってもよいことは勿論である。
次に、本発明を適用した宇宙通信システム１において、図５に示すように地球４上の地上通信ネットワーク５から人工衛星群７を構成する人工衛星８ａ、８ｂを介して地球４上のある宛先領域Ａ〜Ｃへデータを送信する場合について図面を参照しながら詳細に説明をする。
図６は、かかる地上通信ネットワーク５からのデータを宛先領域Ａ〜Ｃへ中継する人工衛星群７を構成する一の人工衛星８ａの構成を示している。ちなみにこの人工衛星８の構成において、上述した人工衛星２と同一の構成要素、部材は、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。この人工衛星８ａには、地上通信ネットワーク５から直接データが送られてくる場合もあれば、人工衛星８ｂを介して間接的にデータが送られてくる場合もある。
人工衛星８ａは、ｋ個からなるビームフォーミング用のアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋと、このアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋの入力端に接続されている送信部７２と、この送信部７２に接続されているＤＡ変換部７４＿１〜７４＿ｋと、このＤＡ変換部７４＿１〜７４＿ｋに接続されているフレーム化処理部７５と、フレーム化処理部７５に接続されている光−電気変換部７６と、光−電気変換部７６の入力側に接続されている逆多重化処理部７７と、逆多重化処理部７７の入力端に接続され、他の人工衛星８ｂ又は地球４上の地上通信ネットワーク５との間でデータを送受信する衛星通信部７９とを備えている。また、この人工衛星８ａは、アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋや送信部７２を制御するためのアンテナ・周波数制御部３０と、フレーム化処理部２５における処理を制御するフレーム化制御部３１とをさらに備えている。
衛星通信部７９は、地上通信ネットワーク５から直接的に又は他の人工衛星８ｂを介して間接的に送信されてくる、多重化された光信号からなるフレーム化データを受信する。
逆多重化処理部７７は、衛星通信部７９から送られてくるフレーム化データを、その宛先アンテナ情報にもとづき各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応したｎ（＝ｋ）個のフレーム６＿１〜６＿ｋに分割し、これを光−電気変換部７６へと出力する。
光−電気変換部７６は、逆多重化処理部７７から送られてくるフレーム化データとしてのフレーム６＿１〜６＿ｋを光−電気変換するための素子で構成される。光−電気変換部７６は、供給される光信号を電気信号に変換する、いわゆるホトダイオード（ＰＤ）等で構成されていてもよい。
フレーム化処理部７５では、それぞれアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応させてフレーム６＿１〜６＿ｋについて各種フレーム処理を行う。このフレーム化処理部７５で行うフレーム処理としては、ＴＣＰ／ＩＰフレーム化された信号からヘッダ部６８を取り除く他、各フレーム化データに送信タイミング同期用に挿入されたヘッダ情報をもとに、異なるアンテナ素子間での信号送出タイミングの同期を実現するための処理を行う。なお、逆多重化処理部７７の構成を省略する場合には、光−電気変換部７６で光フレーム信号をシリアルに受信し、これからフレーム化処理部の中で必要に応じてパラレルなｋ個のフレームを抽出するという構成としてもよい。また。このフレーム化処理部７５は、送られてくるフレーム６＿１〜６＿ｋから少なくとも実データ部６６ｂに記述されている情報を抽出し、これをＤＡ変換部７４＿１〜７４＿ｋへと送信する。
ＤＡ変換部７４＿１〜７４＿ｋは、いわゆるＤＡコンバータで構成され、フレーム化処理部７５から供給されるデジタル信号からなる実データをアナログ信号に変換し、これを送信部７２へと出力する。
送信部７２は、アンテナ・周波数制御部３０による制御の下で、ＲＦ周波数へ周波数変換する。
アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋは、地球４上における各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信する。ここでは、地球４上の宛先領域Ａ〜Ｃに対してビームフォーミングにより信号を送信する場合を例にとる。ちなみに、各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに供給される信号は、既にその前段において予め各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応したフレームに分割されている。
なお、この図５に示す宇宙通信システム１における地上通信ネットワーク５は、上述した図３の構成を同一にするため、以下での説明を省略する。
次に、この図５に示す宇宙通信システム１により、地球４上の地上通信ネットワーク５から人工衛星群７を構成する人工衛星８ａ、８ｂを介して地球４上のある宛先領域Ａ〜Ｃへデータを送信する動作について説明をする。
先ずユーザは、通信端末５３を介して、情報を送信したい宛先領域を指定する。例えばユーザが通信端末５３ａを介して、宛先領域Ａを指定した場合には、送信フレーム６のヘッダ部６８においてその宛先領域Ａの関する情報が記述されることになる。ちなみに、このヘッダ部６８は、上述したようにＴＣＰ／ＩＰフレームに対応したものであるため、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成される地上通信ネットワーク５において所望のデバイスに自在に配信することが可能となる。通信端末５３ａからの上述したフレームデータ６は、スイッチ５２を介して地上局５１へと送信され、この地上局５１においてフレーム６＿１〜６＿ｋに複製されると同時にビームフォーミングのための適切な信号処理が上記各フレーム６に施される。次にこれらフレーム６＿１〜６＿ｋは電気−光変換された上で人工衛星群７へと光通信により送信される。
このように地上局５１では、宛先領域に関する情報に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム６＿１〜６＿ｋ毎実施する。この信号処理は、地上局５１に行わせる場合に限定されるものではなく、通信端末５３側において実行させるようにしてもよい。
ちなみに、この地上通信ネットワーク５における他の通信端末５３ｂ、５３ｃから同時にそれぞれ異なる宛先領域に関する情報がヘッダ部６８に付されたフレームデータ６が送信された場合には、地上局はこれらを上記と同様の手段にて、すなわち６＿１〜６＿ｋのフレーム化データに複製すると同時にビームフォーミングのための適切な信号処理が各上記各フレーム化データに施した後に合成して、人工衛星群７へ送信する。
地上通信ネットワーク５から直接的に又は他の人工衛星８ｂを介して間接的にフレーム６が送られてきた人工衛星８ａは、これを衛星通信部７９を介して受信し、逆多重化処理部７７においてこれを各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋに対応したフレーム化データ６＿１〜６＿ｋに分割する。
逆多重化処理部７７において分割されたフレーム化データとしてのフレーム化データ６＿１〜６＿ｋは、光−電気変換部７６において光−電気変換された上で、フレーム化処理部７５において各種フレーム処理が行われる。
その後段において、各フレーム６＿１〜６＿ｋは、ＤＡ変換部７４＿１〜７４＿ｋにおいてそれぞれＤＡ変換され、さらに送信部７２においてＲＦ周波数へと周波数変換される。このとき送信部７２は、地上通信ネットワーク５からの制御情報に基づき、アンテナ・周波数制御部３０による制御の下で、その周波数変換が制御されるものであってもよい。
送信部７２から出力される信号は、アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋを介してビームフォーミングの原理により地球4上における各宛先領域Ａ〜Ｃへと送信されることになる。このとき、各アンテナ素子より送信される信号はフレーム６＿１〜６＿ｋの実データ部６６ｂをＤＡ変換して生成される信号であるが、それぞれのアンテナ素子からの送出タイミングは、ヘッダ部６８の復調によって得られる送信タイミングを用いて、アンテナ間の時間同期を行うようにしてもよい。また、複数の通信端末５３ａ〜５３ｃにより複数の宛先領域Ａ〜Ｃが指定されていた場合には、このアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋを介してビームフォーミングにより当該宛先領域Ａ〜Ｃへと信号を送信することになる。
このように本発明を適用した宇宙通信システム１においては、地上通信ネットワーク５内の地上局５１又は通信端末５３において、宛先領域Ａ〜Ｃが指定された信号を予めアンテナ２１＿１〜２１＿ｋに応じてビームフォーミング用にフレーム化しておく。具体的には、宛先領域に関する情報に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム６＿１〜６＿ｎ毎実施しておき、これを人工衛星８ａを中継させてビームフォーミング用のアンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋを介して各宛先領域Ａ〜Ｃに信号を送信する。
このため、従来において人工衛星内において行われていた、各アンテナ素子から送信すべき信号につき施す位相遅延処理や、その他各種ビームフォーミングに関する処理を、通信端末５３や制御局５４、又は地上局５１側において実行させつつ、所望の宛先領域に信号を送信することが可能となる。このため、本発明では、かかるビームフォーミングに基づく多大な信号処理負担を人工衛星８に負担させることが無くなり、また人工衛星８内の電力の消費を抑制することにより、人工衛星８自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能なシステム構成とすることが可能となる。またこの通信端末５３や制御局５４又は地上局５１において実行するビームフォーミングに関する処理は、従来のように人工衛星に搭載可能な信号処理能力や、人工衛星が供給できる消費電力による制限を受けることも無くなることから、本来のところ人工衛星において搭載が困難であった大きな消費電力が必要となる高度かつ高速なビームフォーミングの計算処理を行うことが可能なシステム構成とすることも可能となる。
また本発明では、ビームフォーミング処理を地上通信ネットワーク５側に担わせることが可能となることから、事後的に信号処理アルゴリズム等が開発された場合においても、これをその通信端末５３へ容易に組み込むことが可能となる。また、ビームフォーミング処理回路を逐次バージョンアップできるシステムとすることで、宇宙通信システム１全体の汎用性や柔軟性を向上させることも可能となる。
なお、上述した例において、地上通信ネットワーク５としてのＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付す場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなくＬ４（トランスポート層）ヘッダを付すようにしてもよい。これにより、地上通信ネットワーク５においてＬ４を介したデータの配信も可能となり、より汎用性を向上させることも可能となる。
なお、この図５に示す宇宙通信システム１においては、各アンテナ素子２１＿１〜２１＿ｋにより検出された電磁波が予め変調されていた場合にこれを復調することなくそれぞれＡＤ変換するようにしてもよい。
また地上局５１又は制御局５４又は通信端末５３が、送信すべきデータとして既に変調が施された信号を実データ部に有するフレーム化データを送信した場合、人工衛星８は、受信したフレーム化データから抽出した実データ部を復調することなく、これらを複数のアンテナ素子２１を介して各宛先領域に対して送信するようにしてもよい。これにより、人工衛星８において、信号を復調するためのシステムを組み込む必要が無くなることから、人工衛星８に対する処理負担を軽減でき、更なる軽量化、低消費電力化を図ることが可能となる。
また、本発明を適用した宇宙通信システム１では、例えば人工衛星２と人工衛星８のそれぞれの機能を併せ持つようにしてもよい。即ち、図１に示すように、人工衛星群３のうち何れか一の人工衛星２ａにより地球上のある観測領域Ａ〜Ｃの電磁波を検出し、これを他の人工衛星２ｂを介して地球上の地上通信ネットワーク５へと送信する動作と、図５に示すように地球４上の地上通信ネットワーク５から人工衛星群７を構成する人工衛星８ａ、８ｂを介して地球４上のある宛先領域へデータを送信する機能を一つの宇宙通信システム１の下で実行するようにしてもよい。
次に本発明を適用した宇宙通信システム１の技術的思想を、地球４上の移動端末間の通信に適用する場合について説明をする。
図７は、かかる宇宙通信システム１の技術的思想を適用した無線通信システム１０１の構成例を示している。この無線通信システム１０１は、いわゆるＲＯＦ(Radio over Fiber)技術を用いる無線伝送システムで得られる効果に加えて、無線信号の有線ネットワーク内での柔軟な交換機能を備えるシステムであり、歩行者が携帯可能な移動体端末としての移動端末１１１ａ、１１１ｂと、移動端末１１１ａとの間で無線信号の送受信を行うことにより通信を中継するための基地局１１２ａと、移動端末１１１ｂとの間で無線信号の送受信を行うことにより通信を中継するための基地局１１２ｂと、各基地局１１２ａ、１１２ｂに接続される光ファイバ１１４を介して連結される複数のスイッチ１１３と、一のスイッチ１１３に光ファイバ１１４を介して接続される制御局５４とを備えている。スイッチ１１３並びに光ファイバ１１４により構成されるネットワークを、以下有線通信ネットワーク１１９という。
なお、この図７は、無線通信システム１０１における基地局１１２と光ファイバ１１４との接続形態の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。また、光ファイバ１１４の代替として電気的信号を送受信する図示しない電線や無線回線で構成してもよい。かかる場合には、後述する光−電気変換並びに電気−光変換のステップは全て省略されることになる。
以下では、移動端末１１１ａからの電波を基地局１１２ａにより捕捉し、これを光ファイバ１１４、スイッチ１１３を介して基地局１１２ｂへと送信し、さらにこの基地局１１２ｂから移動端末１１１ｂに向けてビームフォーミングにより電波を放射することにより信号を送信する場合を例にとり説明をする。
図８(a)は、この基地局１１２ａの構成を、また図８(b)は、この基地局１１２ｂの構成を示している。
基地局１１２ａは、ｋ個からなるビームフォーミング用のアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋと、このアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋの出力端に接続されている受信部１２２と、この受信部１２２に接続されているＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋと、このＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋからデジタルデータが供給されるフレーム化処理部１２５と、フレーム化処理部１２５からフレームデータが供給される電気−光変換部１２６と、電気−光変換部１２６の出力側に接続されている多重化部１２７と、この多重化処理部１２７の出力端側に設けられたインターフェース１２８と、制御部１２９を備えている。
基地局１１２ｂは、ｋ個からなるビームフォーミング用のアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋと、このアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋに接続されている送信部１３２と、この送信部１３２に接続されているＤＡ変換部１３４＿１〜１３４＿ｋと、このＤＡ変換部１３４＿１〜１３４＿ｋに接続されているフレーム化処理部１３５と、フレーム化処理部１３５に接続されている光−電気変換部１３６と、光−電気変換部１３６の出力側に接続されている逆多重化処理部１３７と、この逆多重化処理部１３７の入力端側に設けられたインターフェース１３８と、制御部１３９とを備えている。
アンテナ素子１２１＿１〜２１＿ｋは、基地局１１２ａ近傍の複数の電波源からの電磁信号を捉え、この捕捉したこの電波信号を出力する。即ち、この複数のアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋにより、基地局１１２ａの近傍領域の電波源を検出することが可能となる。ここでは領域Ｄ〜Ｆから電波を受信する場合を例にとり説明をする。
受信部１２２は、アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋからの出力信号が供給され、これを高周波増幅するとともに、制御部１２９による制御の下で、入力信号を低域周波数の信号へ周波数変換する。
ＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋは、いわゆるＡＤコンバータで構成され、受信部１２２から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、これをフレーム化処理部１２５へと出力する。ちなみに、このＡＤ変換部１２４は、アンテナ素子１２１の受信信号をそれぞれＡＤ変換することになる。
フレーム化処理部１２５は、制御部１２９による制御の下で、ＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋから供給されるデジタル信号をフレーム化データ列に変換する。フレーム化処理部１２５は、ＩＰプロトコル用のＩＰヘッダやイーサネット（登録商標）用のＭＡＣヘッダを付加する、更には適切なラベルやタグを挿入する等のＭＡＣ処理を施すことによりＭＡＣフレームを生成する。
なお、以下の説明においては、スイッチ１１３と、光ファイバ１１４からなる有線通信ネットワーク１１９がＬ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成されている場合において、フレーム化処理部１２５は、かかるＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理を施す場合を例にとり説明をするが、これに限定されるものではない。フレーム化処理部１２５は、それぞれアンテナ素子に対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成することになる。
電気−光変換部１２６は、フレーム化処理部１２５において生成されたフレームデータを電気−光変換するためのＬＤ等の光素子で構成される。
多重化処理部１２７は、電気−光変換部１２６からの光フレーム化データを多重し、これをインターフェース１２８へ出力する。インターフェース１２８、１３８は、Ｌ（レイヤー）１による物理的なインターフェースであり、接続された光ファイバ１１４を介して信号が送受信されることになる。
逆多重化処理部１３７は、有線通信ネットワーク１１９を介してインターフェース１３８から送信されてくるフレーム化データを各アンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋに対応したフレーム６＿１〜６＿ｋに分割し、これを光−電気変換部１３６へと出力する。
光−電気変換部１３６は、逆多重化処理部１３７から送られてくるフレーム化データとしてのフレーム６＿１〜６＿ｋを光−電気変換するためのＰＤ等で構成されている。
フレーム化処理部１３５では、それぞれアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋに対応させてフレーム６＿１〜６＿ｋについて各種フレーム処理を行う。
ＤＡ変換部１３４＿１〜１３４＿ｋは、いわゆるＤＡコンバータで構成され、フレーム化処理部１３５から供給されるデジタル信号からなる実データをアナログ信号に変換し、これを送信部１３２へと出力する。
送信部１３２は、制御部１３９による制御の下で、ＲＦ周波数へ周波数変換する。
アンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋは、基地局１１２ｂ周囲における各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信する。ちなみに、このアンテナ素子１３１は、アンテナ素子１２１と同様にｋ個で構成される場合を想定しているがこれに限定されるものではなく、ｋ個よりも増減してもよいことは勿論である。ここでは、宛先領域Ｇ〜Ｉに対してビームフォーミングにより信号を送信する場合を例にとり説明をする。
スイッチ１１３は、例えばイーサネット（登録商標）プロトコル規格のいわゆるイーサスイッチに準拠したＩＰルータやＬ２／Ｌ３スイッチ、ＡＴＭスイッチ等である。このスイッチ１１３には、小規模ＬＡＮで使用される安価なスイッチで適用されていてもよく、光ファイバ１１４を接続するためのポートが複数に亘り設けられている。図７に示す例では、スイッチ１１３とスイッチ１１３とが光ファイバ１１４を介して接続されており、このスイッチ１１３と光スイッチ１１３とで接続される有線通信ネットワーク１１９をイーサネット（登録商標）として活用している。
制御局５４は、この有線通信ネットワーク１１９において必要とされる制御処理全般と変復調処理、また必要に応じてスイッチ１１３を経由して受信したフレーム化データに含まれる電磁波信号の復調と復調データの再フレーム化処理とネットワークへの再送信を実施する。
移動端末１１１は、基地局１１２との間でデータを送受信することが可能なデバイスとして構成され、例えば携帯電話、ノート型ＰＣ等である。
次に、本発明を適用した無線通信システム１０１において、実際に移動端末１１１ａから移動端末１１１ｂに向けて情報を送信する動作について説明をする。
先ず、アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋにより、基地局１１２ａ周囲の各領域Ｄ〜Ｆにおける電波を検出する。ここでは、アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋにより、電波が検出されることになる。
アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋからの実データが送られてきた受信部１２２では、これを先ず低雑音増幅し、さらに低域周波数の信号へ周波数変換する。受信部１２２から出力された実データは、ＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋにおいてそれぞれＡＤ変換される。デジタルビームフォーミングを行うためにはこの段においてデジタル信号に変換する必要があるためである。
次にフレーム化処理部１２５において、ＡＤ変換部１２４＿１〜１２４＿ｋから供給されるデジタル信号に、ＩＰプロトコル用のＩＰヘッダやイーサネット（登録商標）用のＭＡＣヘッダを付加する。実際にこのフレーム化処理部１２５において生成されるフレームデータの構成例は、図４に示すものとほぼ同様であり、またフレーム化処理の詳細も上述したフレーム化処理部１２５と同様であるため、以下での説明は省略する。
次に、フレーム化処理部１２５において各種処理がなされた各フレーム６＿１〜６＿ｋは、電気−光変換部１２６において電気−光変換され、さらに多重化処理部１２７においてこれらが互いに合波され、インターフェース１２８を介して有線通信ネットワーク１１９へと送出されることになる。
フレーム６が基地局１１２ａから送出されてきた有線通信ネットワーク１１９では、これをスイッチ１１３を介して宛先となる制御局５４もしくは基地局１１２へと送信する。スイッチ１１３では、マルチキャスト機能に基づいてフレーム化データをコピーし、これを複数の基地局１１２ｂや制御局５４へ分配する役割を担うことになる。ちなみに、このスイッチ１１３は、受信したフレーム化データにおけるフレーム６のヘッダ部６８のみを読み取り、上記ヘッダ部に付された宛先アドレスやラベル、タグ等を検出して、これを宛先となる制御局５４や次の宛先となるスイッチ１１３、基地局１１２ｂへと導くことも可能となる。
基地局１１２ｂは、インターフェース１３８を介してこのフレーム６を受信し、更に逆多重化処理部１３７によりこれをフレーム６＿１〜６＿ｋに分割する。更に、光−電気変換部１３６において各フレーム６＿１〜６＿ｋを光−電気変換した上で、フレーム化処理部１３５において各種フレーム処理が行われる。フレーム化処理としては、主に各フレーム化データに含まれる実データ部のみを抽出する処理と、ヘッダ部からは異なるアンテナ間で送信される信号間の時間同期をとるためのタイミング情報を検出する。
その後段において、各フレーム６＿１〜６＿ｋは、ＤＡ変換部１３４＿１〜１３４＿ｋにおいてそれぞれＤＡ変換され、さらに送信部１３２においてＲＦ周波数へと周波数変換される。このとき送信部１３２は、フレーム化処理部１３５においてヘッダ部６８から抽出したフレームの属性に基づいて、制御部１３９による制御の下、使用するＲＦ周波数の制御を行うようにしてもよい。また、ヘッダ部６８の復調により得られる送信タイミングをクロックとしてフレーム６＿１〜６＿ｎ間の時間同期をとるようにしてもよい。
最後に、上記処理に基づき、フレーム６＿１〜６＿ｋの実データ部から得られた信号は、それぞれ、それぞれがアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋを介してビームフォーミングの原理により、各宛先領域Ｇ〜Ｉへと送信される。
ここで、上述した無線通信システム１０１の制御について、更に別観点から説明をする。
ｋ個のアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋが観測した信号を表す観測信号ベクトルをX１とし、これから所望のビーム方向からのみの信号を検出するために適切な重みづけ信号処理を行うための受信重みづけベクトルをW１とした場合、所望のビーム方向から到来した信号Y１の抽出はY1=W1X1の行列演算信号処理により可能となる。このため、基地局１１２ａに対して所定方向に位置する各領域Ｄ〜Ｆの信号Y１も、このステアリングベクトルW1をコントロールすることにより、読み出すことが可能となる。
また、地上局１１２ｂについても、ｌ個のアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌが観測した信号を表す観測信号ベクトルをX2とし、これに適切な重みづけ信号処理を行うためのステアリングベクトルをW2とした場合、所望のビーム方向の信号Y2の抽出はY2=W2X2の行列演算信号処理により可能となる。このため、基地局１１２ｂに対して所定方向に位置する各領域Ｇ〜Ｉの信号Y2も、このステアリングベクトルW2をコントロールすることにより、読み出すことが可能となる。
逆に、送信すべき信号方向に対応するステアリングベクトルW2の逆行列を用いて、W2 -1Y2＝X2の行列演算により、所望の方向に（所望の領域Ｇ〜Ｉに）信号を各アンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌから放射することが可能となる。
このため、基地局１１２ａが受信可能な任意の方向からの到来波を、基地局１１２ｂが任意の方向へ送信するためには、基地局１１２ｂが基地局１１２ａにおけるアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋから信号を受信し、W2 -1W1X1＝X2の演算で得られる送信信号ベクトルX2に対応する信号を、基地局１１２ｂのアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌが送信すれば、これが実現可能になる。これは基地局１１２ａにおいてビームフォーミングに関する各信号処理を実施することなく、その処理負担を基地局１１２ｂに負わせることが可能となる。即ち、有線通信ネットワーク１１９を介した受信ビームと送信ビーム間のシームレスなリンクを実現することが可能となる。
このように本発明を適用した無線通信システム１０１では、送信元の移動端末１１１ａから、例えば宛先領域Ｇにある移動端末１１１ｂが指定された信号をフレーム化しておき、これを有線通信ネットワーク１１９を中継させて基地局１１２ｂへと送信する。このフレーム化の段階において、基地局１１２ａが一の方向から無線信号を検出する際の受信重みづけベクトルと、他の地上局１１２ｂが他の方向へ無線信号を送信する際の送信重みづけベクトルの逆数に基づいて、当該地上局１１２ｂが各アンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌの送信信号を生成する。これにより、従来において地上局１１２ａ、基地局１１２ｂにおいてそれぞれ行われていた、各アンテナ素子から送信すべき信号につき施す位相遅延処理や、その他各種ビームフォーミングに関する処理を、基地局１１２ｂ側において実行させつつ、所望の宛先領域に信号を送信することが可能となる。このため、本発明では、かかるビームフォーミングに基づく多大な信号処理負担を双方の基地局１１２に負担させることが無くなる。
ちなみに、これら重み付けベクトルを取得する方法として、ＧＰＳ（Global Positioning System）等を利用し、基地局１１２自身が移動端末１１１自身の地理的な座標を特定するようにしてもよいし、移動端末１１１が既知の制御信号を送信することにより、これを受信した基地局１１２や別途設置された制御局５４が到来方向推定と呼ばれる信号処理を施すことにより、あくまで基地局１１２や制御局５４から見た移動端末の方向を取得するようにしてもよい。この到来方向推定により、移動端末の座標を取得する際には、例えば、ESPRIやMUSIC等のアルゴリズムを使用するようにしてもよい。
なお、上記では説明を簡単化するために、送信および受信に関するビームフォーミングの処理を一括してフレーム化データをネットワークから受信する側の基地局で実施する例を示したが、上記一括信号処理を地上ネットワーク上に配した制御局のほか、フレーム化データをネットワークを経由して送信する側の基地局によって実施してもよい。
すなわち、無線通信システム１０１は、基地局１１２ａが備えるｋ個のアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋが各々受信する信号を有線通信ネットワーク１１９を介して制御局５４が受信して信号処理するステップ、基地局１１２ａが備えるｋ個のアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋが各々送信すべき信号を有線通信ネットワーク１１９を介して制御局５４が供給するステップ、基地局１１２ｂが備えるｋ個のアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌが各々受信する信号を有線通信ネットワーク１１９を介して制御局５４が受信して信号処理するステップ、基地局１１２ｂが備えるｌ個のアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌが各々送信すべき信号を有線通信ネットワーク１１９を介して制御局５４が供給するステップの１以上を実行するものであってもよい。
これにより、基地局１１２ａが移動端末１１１ａに提供するビームパターンＤと基地局１１２ｂが移動端末１１１ｂに向けて提供するビームパターンＧの間で無線リンクを確立することが可能となる。なお、各基地局１１２ａ、１１２ｂは、移動端末１１１ａ、１１１ｂに対する信号の変復調機能はもちろんのこと、ビームフォーミング処理のための機能を実装する必要が無くなり、設備コストを抑えるとともに、高機能なビームフォーミング技術を搭載した基地局１１２を設置することが可能となる。即ち、無線通信システムの低コスト化と高機能化の双方を実現することができる。
また、このビーム間で送受信されるＲＦ信号については、必ずしも制御局５４で復調してブリッジする必要はなく、コネクションを形成する（信号をブリッジする）時点でデータの伝送宛先や宛先基地局におけるビームフォーミング情報さえ分ければよい。データがいかなる変調方式で変調されていても、またいかなる符号化方式によって符号化されたものであっても、システム内において復調・復号するステップを設けることなく通信相手の移動端末１１１まで伝送すること可能となる。これにより、極めてセキュアな無線リンクの形成を実現できる。
かかるプロセスについて詳細に説明する。基地局１１２ａ付近にて通信可能となった端末１１１ａは、先ず自局の登録を制御局５４に対して行うべく、制御フレームを送信する。この制御フレームを含む信号は基地局１１２aが有するアンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋによって受信され、それぞれがＡＤ変換されて有線通信ネットワーク１１９において伝送交換が可能になるようにフレーム化処理が施されて送信される。
制御局５４は、かかる基地局１１２ａにおいて生成されたフレームを受け取ることで端末１１１aをデータベースに登録する。このとき、受信したフレーム信号１２１＿１〜１２１＿ｋを解析することで基地局１１２ａからみた移動端末１１１aが送信した無線信号の到来方向を知ることが可能となる。これにより、制御局５４は基地局１１２ａが移動端末１１１aとの間で送受信すべき信号をどのような重みづけベクトルWaによって信号処理し、また基地局１１２ａにおいて各アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋが送受信すべき信号とすればよいかを知ることができる。
これと同様に、移動端末１１１ｂについても基地局１１２ｂから送られてきたフレームを解析することにより、基地局１１２ａが移動端末１１１aとの間で送受信すべき信号をどのような重みづけベクトルWbによって信号処理し、また基地局１１２ｂにおいて各アンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｋが送受信すべき信号とすればよいかを知ることができる。
移動端末１１１ａが送信する無線信号Yaは、基地局１１２ａの各アンテナ素子１２１＿１〜１２１＿ｋで受信された信号（本信号ベクトルをXaとする）が更にフレーム化されて制御局５４まで伝送されるが、制御局５４はこれらから不要なヘッダ情報など取り除き、以下の如くビームフォーミング処理を施して、移動端末１１１ａが送信した無線信号Yaを得る。
Ya=WaXa （１）
さらに、ここで取得したYaは、基地局１１２ｂを介してビームパターンＧにて通信相手となる移動端末１１１ｂへと伝送される必要があるが、基地局１１２ｂと移動端末１１１ｂ間で無線通信を行うためビームパターンＧ形成に必要となる重みづけベクトルWbについても、上記と同様の手段にて制御局５４にては既に把握されている状況とする。すなわち、ビームパターンＧは、
Yb=WbXb （２）
また、ビームフォーミング処理は線形演算のため、送信信号ベクトルXbが必要な際には、
Xb =Wb -1Yb （３）
により得ることが可能である。（１）と（３）式から基地局１１２bは、
Xb=Wb -1Ya= Wb -1 WaXa （４）
を送信ベクトルとして、ｌ個のアンテナ素子１３１＿１〜１３１＿ｌの送信信号を得て送信すれば、所望のビームパターンGで無線信号Yaが送信されることになる。
以上のプロセスは、フレーム化データから、アンテナ素子１２１と一の移動端末１１１ａとの間でビームフォーミングを実現するためのアンテナ指向性を識別するとともに、フレーム化データに記述されている宛先としての他の移動端末１１１ｂに関する情報から、アンテナ素子１３１と移動端末１１１ｂとの間でビームフォーミングを実現するためのアンテナ指向性を識別し、これら識別した各アンテナ指向性に基づいて基地局１１２ａにおけるアンテナ素子１２１と、他の基地局１１２ｂにおけるアンテナ素子１３１がそれぞれ移動端末１１１ａ、１１１ｂとの間でビームフォーミングを行うための制御を行うことを意味している。
なお、実際に移動端末１１１ａが移動端末１１１ｂとの通信を要求した場合、まずその通信要求フレームが制御局５４宛で伝送されると同時に、制御局５４はその通信要求に関する情報を移動端末１１１ｂ宛に伝送する。そして、移動端末１１１ｂは、これに応じることを示す制御フレームを制御局５４宛に返信し、さらにその旨を制御局５４が端末１１１ａに返信することにより、移動端末１１１ａと移動端末１１１ｂとの間で通信コネクションが確立されることになる。
因みに、無線端末１１１ｂが送信する無線信号が基地局１１２ｂおよび制御局５４を経由して、更に基地局１１１ａからビームパターンＤにて送信される過程は上記と同様である。
また、（１）〜（４）の線形演算から、基地局１１２ａが備えるアンテナ素子数と、基地局１１２ｂが備えるアンテナ素子数が必ずしも同一である必要がないことは勿論である。
なお、上記のような双方向通信における通信セッションの開始には、特に近年において、SIP（Session Initiation Protocol）を用いることが多く、本通信システムにおいても端末間の通信セッション開始のプロトコルとしてSIPを用いるようにしてもよい。
なお、本発明を適用した無線通信システム１０１は、互いに通信を実行する複数の移動端末１１１ａ、１１１ｂ間において、基地局１１２ａ、１１２ｂを介したいわゆるピア ・ツー・ピア （Ｐ２Ｐ）通信方式で通信を実行するものであってもよい。
このＰ２Ｐ通信方式に基づいて、例えば移動端末１１１ａと移動端末１１１ｂとの間で通信を開始する際には、基地局１１２ａから先ず制御局５４へアクセスする。そして、このアクセスされた制御局５４により移動端末１１１ａ、１１１ｂ間のＰ２Ｐ通信リンクが確立される。これとともに制御局５４から移動端末１１１ａのアドレス及び／又は移動端末１１１ａが属する基地局１１２ａのアドレスおよびビーム方向に関する情報が、通信相手となる移動端末１１１ｂ及び／又は移動端末１１１ｂが属する基地局１１２ｂへ通知される。また、制御局５４から、移動端末１１１ｂのアドレス及び／又は移動端末１１１ｂが属する基地局１１２ｂのアドレスおよびビーム方向に関する情報が、それぞれ通信相手となる移動端末１１１ａ及び／又は移動端末１１１ａが属する基地局１１２ｂへと通知される。移動端末１１１ａ並びに移動端末１１１ｂは、その通知された各アドレスに基づいて、Ｐ２Ｐ通信リンクを介してその後の通信を実行していくことになる。
このＰ２Ｐ通信リンクの確立や上記アドレスの管理は、上述したＳＩＰ（Session Initiation Protocol）に基づいて実行するようにしてもよい。この場合、制御局５４がSIPサーバーの役目を担うことになる
次に、本発明を適用した宇宙通信システム１の他の実施の形態について説明をする。図９は、他の実施の形態としての宇宙通信システム２０１の全体構成を示している。宇宙通信システム２０１は、地球における周回軌道を周回する複数の人工衛星２０２からなる人工衛星群２０３と、地球上に構築された地上通信ネットワーク５とを備えている。
この宇宙通信システム２０１は、地球上の地上通信ネットワーク５から人工衛星２０２を介して地球上のある宛先領域Ａ〜Ｄへデータを送信するものである。なお、宛先領域Ａ〜Ｄは、４箇所に限定されるものではないことは勿論である。
人工衛星２０２は、図１０に示すように、ｋ個からなるビームフォーミング用のアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋと、このアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋの入力端に接続されている送受信部２２２と、送受信部２２２に接続されているＡＤ／ＤＡ変換部２２３と、ｋ個のアンテナ素子２２１に対応したｋ個のポートを介してＡＤ／ＤＡ変換部２２３に接続されている移相器ネットワーク２２４と、後述するｎ個のフレーム数に応じてｎ個のポート２３２＿１〜２３２＿ｋを介して移相器ネットワーク２２４に接続されているフレーム化処理部２２５と、フレーム化処理部２２５に接続されているＬ２／Ｌ３スイッチ２２６と、Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６に接続されている光モデム２２８とを備え、更に地上通信ネットワーク５との間でデータを送受信する衛星通信部２２９が光モデム２２８に接続され、Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６、フレーム化処理２２５、移相器ネットワーク２２４、送受信部２２２が制御部２３０にそれぞれ接続されている。ちなみに、この人工衛星２０２においては、アンテナ素子２２１の数ｋと、フレーム数ｎとは互いに異なる場合を想定している。
衛星通信部２２９は、地上通信ネットワーク５から直接的に又は他の人工衛星２０２を介して間接的に送信されてくる、光フレーム化データを受信する。また、この衛星通信部２２９は、光モデム２２８から送信されてくる光フレーム化データを地上通信ネットワーク５へと送信する。
光モデム２２８は、衛星通信部２２９において受信した光信号を増幅し、さらに光−電気変換する処理、或いはＬ２／Ｌ３スイッチ２２６から出力されてきた電気フレーム化データを電気−光変換する処理、その他各種信号処理を行う。
Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６は、光モデム２２８から送信されてくるフレームデータについて、Ｌ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダに基づいてこれを対応する入出力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎに伝送するためのスイッチで構成されている。この入出力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎは、フレーム化データがヘッダ部に情報として持つことのできる宛先ＲＦビームパターン数ｎに対応したものである。
フレーム化処理部２２５は、それぞれフレーム化データの入力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎとデータ出力ポート２３２＿１〜２３２＿ｎ数ｎを対応させて各種フレーム処理を行う。このフレーム化処理部２２５で行うフレーム処理としては、例えばヘッダ部６８に含まれている情報を読み出し、制御部２３０の制御の下で、後段における移相器ネットワーク２２４において電波の発信時のタイミング制御をする等の処理を行うようにしてもよい。このフレーム化処理部２２５では、入力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎに入力されたフレーム化データからヘッダ部６８を除去して実データ部６６ｂの信号のみを抽出して出力ポート２３２＿１〜２３２＿ｎに対応させて出力する。このように、このフレーム化処理部２２５は、送られてくるフレーム６から少なくとも実データ部６６ｂに記述されている情報を読み取り、これを対応する移相器ネットワーク２２４の入力ポートへと送出する。
移相器ネットワーク２２４には、フレーム化処理部２２５から送信データが送信ＲＦビームパターンに対応する入力ポート２３２＿１〜２３２＿ｎに送信されてくる。移相器ネットワーク２２４は、各入力ポート２３２＿１〜２３２＿ｎに入力された信号が対応するＲＦビームパターンで送信されるように、各入力データについてそれぞれビームフォーミングを実現するために送信データの６＿１〜６＿ｋへの分配と各分配された信号の移相量の調整、或いは時間遅延処理を施す。この移相器ネットワーク２２４は、上記信号処理により得られた送信データ６＿１〜６＿ｋをアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋに対応するＡＤ／ＤＡ変換器の入出力ポートに供給する。なお、この移相器ネットワーク２２４における上述した制御では、制御部２３０による制御の下で、ヘッダ部６８に記述されている情報を読み取ることにより、移相量を制御するようにしてもよい。
ＡＤ／ＤＡ変換部２２３は、移相器ネットワーク２２３から送られてくるデジタル信号としての各アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋに対応したデータをアナログ信号に変換し、これを送受信部２２２へと出力する。また、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３は、送受信部２２２から供給されるアナログ信号をＡＤ変換して、これを移相器ネットワーク２２３へと出力する。ちなみに、移相器ネットワーク２２４が実行すべき信号処理は、アナログ領域で行うようにしてもよい。かかる場合において、このＡＤ／ＤＡ変換部２２３と、移相器ネットワーク２２４との位置は逆転することになる。
送受信部２２２は、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３から入力されてくる信号を制御部２３０による制御の下で、ＲＦ周波数へ周波数変換し、これを各アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋへ出力する。また送受信部２２２は、各アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋから入力されてくる信号を制御部２３０による制御の下で、低域周波数の信号へ周波数変換し、これをＡＤ／ＤＡ変換部２２３へ出力する。
アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋは、地球上における各宛先領域Ａ〜Ｄに対してそれぞれビームフォーミングにより信号を送信する。
なお、この図９に示す宇宙通信システム２０１における地上通信ネットワーク５は、上述した図３の構成を同一にするため、以下での説明を省略する。
次に、この図９に示す宇宙通信システム２０１により、地球上の地上通信ネットワーク５から人工衛星群２０３を構成する人工衛星２０２を介して地球上のある宛先領域Ａ〜Ｄへデータを送信する動作について説明をする。
先ずユーザは、通信端末５３を介して、情報を送信したい宛先領域を指定する。例えばユーザが通信端末５３ａを介して、宛先領域Ａを指定した場合には、ヘッダ部６８においてその宛先Ａに関する宛先情報が記述されることになる。この宛先情報は、宛先領域からそこに存在する一の宛先端末に至るまでのあらゆる情報を含む概念である。ちなみに、このヘッダ部６８は、上述したようにＴＣＰ／ＩＰフレームに対応したものであるため、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成される地上通信ネットワーク５において所望のデバイスを自在に配信することが可能となる。通信端末５３ａからの上述したフレーム化データ６は、スイッチ５２を介して地上局５１へと送信され、この地上局５１において電気−光変換した上で人工衛星群２０３へと光通信により送信される。
ちなみに、この地上通信ネットワーク５における他の通信端末５３からそれぞれ宛先領域に関する情報がヘッダ部６８に付されたフレームデータ６が送信された場合には、地上局５１はこれらを多重化して人工衛星群２０３へ送信する。
地上通信ネットワーク５から直接的に又は他の人工衛星２０２を介して間接的にフレーム化データ６が送られてきた人工衛星２０２は、これを衛星通信部２２９を介して受信し、光モデム２２８において増幅し、光電変換する。
光モデム２２８から出力されたフレーム化データ６は、Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６において出力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎに振り分けられる。フレームデータ６は、予めＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダに送信ビーム方向やビームパターンを指定する情報のほか、宛先領域、宛先端末に関する情報を有している。更に特別な場合として衛星が使用すべきアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋに関する情報を有していてもよい。このＬ２／Ｌ３スイッチ２２６は、あくまで地上通信ネットワーク５に形成されたＬ２／Ｌ３スイッチに対応させたものである。これにより、地上通信ネットワーク５と同様に、このＬ２／Ｌ３スイッチ２２６においても同様にフレーム６の配信制御を行うことが可能となる。
Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６が分配したフレーム化データは、その後段のフレーム化処理部２２５において、入力フレーム化データ６からその実データ部６６ｂが抽出されて移相器ネットワーク２２４へと送信される。
移相器ネットワーク２２４に送出されたデータは、ｎ個の入力ポート２３２＿１〜２３２＿ｎに応じたビームフォーミングが形成されるように、入力データをアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋのｋ個分に対応させて導かれ、またそれぞれのアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋの信号毎に移相量を調整し、或いは時間遅延を施すことによりビームフォーミングを実現する。この移相器ネットワーク２２４から出力された各信号は、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３へと送られて、それぞれＤＡ変換され、さらに送信部２２２においてＲＦ周波数へと周波数変換される。このとき送信部２２２は、地上通信ネットワーク５からの制御情報に基づき、制御部２３０による制御の下で、その周波数変換が制御されるものであってもよい。
送信部２２２から出力された各ＲＦ信号は、アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋからビームフォーミングにより地球上における各宛先領域Ａ〜Ｄへと送信されることになる。
このように本発明を適用した宇宙通信システム２０１においては、地上通信ネットワーク５に適用されたＬ２／Ｌ３ネットワークに対応可能なＴＣＰ／ＩＰフレーム化を予め行っておく。即ち、フレームデータ６には、予めＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダに宛先情報が付されている状態とした上でこれを人工衛星２０２へ送信する。この人工衛星２０２内においても、Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６を設けておくことにより、地上通信ネットワーク５から送信されてきたフレーム化データ６をヘッダ６８に含まれている情報に基づいて所望の入出力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎへ配信可能とされている。このため、本発明では、ビームフォーミングネットワークを構成する上で、極めて簡略な構成でこれを実現でき、人工衛星２０２内において特別に複雑な制御デバイスを設ける必要も無くなることから、人工衛星２０２自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能となる。
なお、この宇宙通信システム２０１では、人工衛星２０２により地球上のある観測領域Ａ〜Ｄから、互いに異なる宛先に関する情報が付加された信号を複数の端末から検出し、これを人工衛星２０２を介して間接的に又はこれを介さず直接的に地球上の地上通信ネットワーク５へと送信するようにしてもよい。
かかる場合には、アンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋにより、地球上における各観測領域の電磁波を検出し、送受信部２２２における低雑音増幅、低域周波数への周波数変換、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３におけるＡＤ変換がなされて移相器ネットワーク２２４へと供給されることになる。ちなみに、この移相器ネットワーク２２４には、このアンテナ素子２２１の素子数であるｋ個の信号が供給されることになる。ちなみに、この移相器ネットワーク２２４の処理は、アナログ領域で行ってもよいことは勿論であることから、かかる場合には、移相器ネットワーク２２４の位置とＡＤ／ＤＡ変換部２２３の位置とが逆転することになる。この移相器ネットワーク２２４からは、上記ｋ個のアンテナ素子により形成可能なｎ個のビーム方向やビームパターンに対応した受信デジタル信号が出力されてフレーム化処理部２２５へと送られることになる。このフレーム化処理部２２５では、受け取ったデジタル信号についてヘッダ部６８に上記ｎ個のビームに関する情報や宛先に関する情報を含めたＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すことによりＴＣＰ／ＩＰフレーム化をする。
また、フレーム化処理部２２５においてＴＣＰ／ＩＰフレーム化されたフレームデータ６は、入出力ポート２３１＿１〜２３１＿ｎを介してＬ２／Ｌ３スイッチ２２６へと出力され、予めＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダに宛先情報が付されているため、これに基づいて所望の出力先へと伝送することが可能となる。このＬ２／Ｌ３スイッチ２２６において出力先の配信制御がなされた後に、フレーム化データ６は、光モデム２２８を経て衛星通信部２２９へと送られることになる。衛星通信部２２９では、この送られてきたフレームデータ６を地上通信ネットワーク５へ送出する。
人工衛星２０２からフレーム化データを受信した地上局５１は、これを地上通信ネットワーク５を構成する各通信端末５３に対してスイッチ５２を介して送信する。スイッチ５２は、Ｌ２／Ｌ３スイッチで構成されていることから、この受信したフレームデータ６を、コピーし、これを異なる複数の通信端末５３へ分配することも可能になる。
このように本発明を適用した宇宙通信システム２０１においては、地球上のある観測領域Ａ〜Ｄの複数の端末から互いに異なる宛先情報が付された信号を検出し、これを人工衛星２０２を介して地上通信ネットワーク５へと送信する場合においても同様に、Ｌ２／Ｌ３ネットワークに対応可能なＴＣＰ／ＩＰフレーム化をフレーム化処理部２２４において実行し、またこれを自動的に所望の出力端子へと配信可能なＬ２／Ｌ３スイッチ２２６を設けておくことにより、ビームフォーミングネットワークを構成する上で、極めて簡略な構成でこれを実現でき、人工衛星２０２内において特別に複雑な制御デバイスを設ける必要も無くなることから、人工衛星２０２自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能となる。
また、上述したフレームデータ６について、予めＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付しておくことにより、Ｌ２／Ｌ３スイッチ２２６を用いて簡易なビーム切り替えや、制御情報に基づいたビームの高速な制御も可能となる。
なお宇宙通信システム２０１は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、ヘッダ６８に付される宛先情報をそれぞれ波長により区別した波長アドレス情報とした上で、いわゆる波長ラベルスイッチングにより、フレームデータを配信するシステムを採用するようにしてもよい。
図１１は、光フレーム化データが搬送波周波数として用いる光波長で宛先を識別する、いわゆる波長ラベルスイッチングが可能な場合の、人工衛星２５２の構成例を示している。この人工衛星２５２において、上述した人工衛星２０２と同一の構成要素、回路については、同一の符号を付すことにより、以下での説明を省略する。
この人工衛星２５２は、ｋ個からなるビームフォーミング用のアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋと、このアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋの入力端に接続されている送受信部２２２と、送受信部２２２に接続されているＡＤ／ＤＡ変換部２２３と、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３に接続されているフレーム化処理部２２５と、フレーム化処理部２２５に接続されている変換部２３５と、変換部２３５に接続されているＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）２３６と、ＡＷＧ２３６に接続されている光増幅部２３８とを備え、更に地上通信ネットワーク５との間でデータを送受信する衛星通信部２２９が光増幅部２３８に接続され、ＡＷＧ２３６、変換部２３５、フレーム化処理部２２５、送受信部２２２が制御部２３０にそれぞれ接続されている。
光増幅部２３８は、衛星通信部２２９から送られてくる光信号、又はＡＷＧ２３６から送られてくる光信号を増幅する。
ＡＷＧ２３６は、アレイ導波路回折格子等に代表される波長選択素子で構成される。即ち、このＡＷＧ２３６は、わずかずつ長さの異なる多数の光導波路アレイによる波長ごとの位相変化が、出口の扇状スラブ導波路で回折角の変化に変換され、波長毎に分離されて出射可能な素子である。ちなみに、このＡＷＧ２３６は、光増幅部２３８から送信されてきた波長の異なる信号を波長毎に分離する機能を担うとともに、変換部から送信されてきた複数の波長の異なる信号を合波して、これを光増幅部２３８へと出力する機能をも担う。
変換部２３５は、ＡＷＧ２３６から出射されてくる光信号を光−電気変換するＰＤ、またフレーム化処理部２２５から送信されてくる電気信号を電気−光変換するＬＤ等で構成される。
フレーム化処理部２２５は、変換部２３５から送信されてくるフレーム化データから実データ部６６ｂのみ抽出して、これをＡＤ／ＤＡ変換部２２３へ送信する。またフレーム化処理部２２５は、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３から送られてくる信号について、ＴＣＰ／ＩＰフレーム化し、変換部２３５へと出力する。その結果、この変換部２３５を構成するＬＤを通じて、光ＴＣＰ／ＩＰフレームを作り出すことが可能となる。
このような構成からなる人工衛星２５２を介して地上通信ネットワーク５から所望の宛先領域Ａ〜Ｄへデータを送る際には、その宛先領域に応じたＲＦビームパターンにより、人工衛星２０２がＲＦ信号を送信するように、地上局５１ないしは図示されない制御局などにおいて光フレーム信号を生成することになる。人工衛星２５２においては、この光フレーム化データを、ＡＷＧ２３６において各信号を分波していくことになる。光フレーム化データは、宛先アンテナ素子情報に応じて予め波長により区別されているものであることから、この波長選択素子としてのＡＷＧ２３６を通過させることにより、自動的に宛先情報に応じて所望の入出力ポートにデータを配信させることが可能となる。
このような構成からなる人工衛星２５２を介して領域Ａ〜Ｄから地上通信ネットワーク５へデータを送る際には、その宛先領域や宛先端末に応じた宛先情報をフレーム化処理部２２５において生成する。またフレーム化処理部２２５から出力されたデータは、変換部２３５において電気−光変換する際に、宛先情報を波長で区別した光フレーム化データを生成することになる。
ＡＷＧ２３６では、この変換部２３５から供給されてきた、波長の異なる光フレーム化データを合波し、これを増幅部２３８へと出力する。
このように、図１１に示すような波長ラベルスイッチングを行う人工衛星２５２では、宛先情報を波長により区別した光フレーム化データをＡＷＧ２３６に通過させることにより、ビームフォーミングネットワークを構成する上で、極めて簡略な構成でこれを実現でき、人工衛星２５２内において特別に複雑な制御デバイスを設ける必要も無くなることから、人工衛星２５２自体の軽量化、低消費電力化を図ることが可能となる。
また、地上通信ネットワーク５におけるフレームデータにおいて、ヘッダ部６８に宛先情報についてのラベリングを施すことにより、フレームデータのアドレスを介して容易にアンテナ素子２２１＿１〜２２１＿ｋによるビーム放射エリアを指定することが可能となる。
図１２は、波長ラベルスイッチングを行う人工衛星２０２の他の実施の形態を示している。この他の形態としての人工衛星２５８は、人工衛星２０２における、ＡＤ／ＤＡ変換部２２３から衛星通信部２２９に至るまで、変換部２３５、ｎ個のポート２３１＿１〜２３１＿ｎ、光移相器ネットワーク２８１、ｋ個のポート２３２＿１〜２３２＿ｋ、ＡＷＧ２３６、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）２６０が順次接続されている。この人工衛星２５８において、上述した人工衛星２０２と同一の構成要素、回路については、同一の符号を付すことにより以下での説明を省略する。
ＥＤＦＡ２６０は、衛星通信部２２９からの光信号、或いはＡＷＧ２３６からの光信号を直接増幅する。
また、ｎ個のポート２３１＿１〜２３１＿ｎ、ｋ個のポート２３２＿１〜２３２＿ｋとの間に設けられた光移相器ネットワーク２８１は、それぞれｎ×ｋ個のマトリクス回路を構成するものである。ＡＷＧ２３６において波長毎に分離された各光信号は、それぞれｎ個のポート２３１＿１〜２３１＿ｎ、ｋ個のポート２３２＿１〜２３２＿ｋは、それぞれ波長と放射方向が対応するものであり、各波長について所望の遅延長となるように調整が行われていることによりビームフォーミングが実現可能となる。これにより、送受信部２２２におけるビームフォーミングのための各種処理量を軽減することが可能となる。
図１３は、人工衛星２５８におけるｎ個のポート２３１＿１〜２３１＿ｎ、ｋ個のポート２３２＿１〜２３２＿ｋ、ＡＷＧ２３６の代替として、高分散ファイバ２７１と、分光器２７２を配設した例を示している。
分光器２７２は、波長毎に光を分離するスプリッタにより構成されている。また、波長と放射方向を一対一で対応させることにより、各波長ごとに経路を異ならせることが可能となり、これにより、各波長ごとに所望の遅延長を確保することが可能となる。
本発明を適用した宇宙通信システムの全体構成図である。 人工衛星のシステムブロック構成図である。 地上通信ネットワークの構成図である。 フレームデータの構成例を示す図である。 地上通信ネットワークから人工衛星を介して地球上のある宛先領域を送信する宇宙通信システムの全体構成図である。 人工衛星の他のシステムブロック構成図である。 宇宙通信システムの技術的思想を適用した無線通信システムの構成例を示す図である。 図７に示すシステムの基地局の構成について説明するための図である。 本発明を適用した宇宙通信システムの他の実施の形態について説明するための図である。 図９に示すシステムにおける人工衛星のブロック構成について説明するための図である。 波長ラベルスイッチングを行う人工衛星の構成例を示す図である。 波長ラベルスイッチングを行う人工衛星の他の実施の形態を示す図である。 図１２の形態のＡＷＧの代替として、高分散ファイバと、分光器を配設した例を示す図である。
符号の説明
１ 宇宙通信システム
２ 人工衛星
３ 人工衛星群
４ 地球
５ 地上通信ネットワーク
２１ アンテナ素子
２２ 受信部
２４ ＡＤ変換部
２５ フレーム化処理部
２６ 電気−光変換部
２７ 多重化処理部
２９ 衛星通信部
３０ アンテナ・周波数制御部
３１ フレーム化制御部
５０ 光ファイバ
５１ 地上局
５２ スイッチ
５３ 通信端末
５４ 制御局

Claims (24)

  1. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、
    地球上における各観測領域が放射する電磁波を検出する１又は複数のアンテナ素子と、
    上記各アンテナ素子により検出された電磁波に基づく信号をそれぞれＡＤ変換するＡＤ変換手段と、
    上記ＡＤ変換手段によりＡＤ変換されたアンテナ素子毎の信号を上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいてそれぞれアンテナ素子に対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成するフレーム化処理手段と、
    上記フレーム化処理手段により生成されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信する衛星通信手段とを有し、
    上記地上通信ネットワークは、
    上記人工衛星群から上記フレーム化データを受信する地上局と、
    上記地上局を介して上記フレーム化データが送信される複数の通信端末とを有し、
    上記通信端末は、上記受信した各アンテナ素子に対応したフレーム化データから地球上における所望観測領域に応じたアンテナの指向性を適応的に形成することにより、特定の観測領域の電磁波放射状態を識別可能とされていること
    を特徴とする宇宙通信システム。
  2. 上記地上通信ネットワークは、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成され、
    上記フレーム化処理手段は、上記アンテナ素子毎の信号に対して、上記地上通信ネットワークとしてのＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理を施すこと
    を特徴とする請求項１記載の宇宙通信システム。
  3. 上記フレーム化処理手段は、上記アンテナ素子毎の信号に対して、更にＬ４（トランスポート層）ヘッダを付すこと
    を特徴とする請求項２記載の宇宙通信システム。
  4. 上記ＡＤ変換手段は、上記各アンテナ素子により検出された電磁波に基づく信号が予め変調されていた場合にこれを復調することなくそれぞれＡＤ変換し、
    上記地上局又は上記通信端末は、受信した上記フレーム化データから元の電磁波信号を再生して、これを復調すること
    を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  5. 上記衛星通信手段は、上記フレーム化処理手段により生成されたフレーム化データを電気−光変換した上で送信し、
    上記地上局は、受信した上記フレーム化データを光−電気変換すること
    を特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  6. 上記地上局又は通信端末は、上記受信したフレーム化データから受信品質を解析し、この解析した受信品質に基づいて、上記一の人工衛星に対して分解能を可変制御するための制御信号を送信し、
    上記一の人工衛星は、受信した上記制御信号に基づいて、上記ＡＤ変換手段におけるＡＤ変換の分解能を制御すること
    を特徴とする請求項１〜５のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  7. フレーム化処理手段において生成されたフレーム化データを、送信すべき１以上の他の人工衛星に応じて交換するスイッチング手段を更に備え、
    上記衛星通信手段は、上記スイッチング手段により交換されたフレーム化データをそれぞれ上記１以上の他の人工衛星へ送信し、
    上記他の人工衛星は、受信した上記フレーム化データを互いに異なる上記地上局へ送信すること
    を特徴とする請求項１〜６のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  8. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、
    上記地上通信ネットワークは、
    所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを送信する通信端末と、
    上記１以上の通信端末から上記フレーム化データを受信した場合にこれに含まれる宛先領域に関する情報に基づいて合成した新たなフレーム化処理を施すことにより新たなフレーム化データを生成し、これを上記人工衛星群へと送信する地上局とを有し、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、
    上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信する衛星通信手段と、
    各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数のアンテナ素子と、
    上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている情報に基づいて上記アンテナ素子毎に振り分け、フレームに含まれる実情報を抽出するフレーム分配・分解手段と、
    上記フレーム分配・分解手段により得られたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給するＤＡ変換手段とを有し、
    上記地上局又は通信端末は、上記宛先領域に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム毎に実施すること
    を特徴とする宇宙通信システム。
  9. 上記地上通信ネットワークは、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成され、
    上記通信端末は、上記地上通信ネットワークとしてのＬ２／Ｌ３スイッチネットワークで交換可能なＬ２（ＭＡＣ）ヘッダ及びＬ３（ＩＰ）ヘッダを付すＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理を施すこと
    を特徴とする請求項８記載の宇宙通信システム。
  10. 上記通信端末は、上記ＴＣＰ／ＩＰフレーム化処理において更にＬ４（トランスポート層）ヘッダを付すこと
    を特徴とする請求項９記載の宇宙通信システム。
  11. 上記地上局又は上記通信端末は、送信すべきデータに変調を施し、
    上記人工衛星は、受信した上記フレーム化データを復調することなく、これを上記複数のアンテナ素子に導くことにより、上記変調されたデータが各宛先領域に対応するビームとして送信されること
    を特徴とする請求項８〜１０のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  12. 上記地上局は、送信すべき上記フレーム化データを電気−光変換し、
    上記衛星通信手段は、受信した上記フレーム化データを光−電気変換すること
    を特徴とする請求項８〜１１のうち何れか１項記載の宇宙通信システム。
  13. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、
    上記地上通信ネットワークは、
    所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報又は上記人工衛星群内における宛先アンテナ素子に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを送信する通信端末と、
    上記１以上の通信端末から送信されてきた上記データを上記人工衛星群へと送信する地上局とを有し、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、
    上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信する衛星通信手段と、
    地球上における上記宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数のアンテナ素子と、
    上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている宛先領域に関する情報又は使用すべきアンテナ素子に関する情報に基づいて分類するスイッチング手段と、
    上記スイッチング手段により分類されたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給するＤＡ変換手段とを有すること
    を特徴とする宇宙通信システム。
  14. 上記地上通信ネットワーク並びに上記スイッチング手段は、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成されていること
    を特徴とする請求項１３記載の宇宙通信システム。
  15. 上記地上局は、送信すべき上記フレーム化データを衛星に転送する前に、上記宛先情報に対応した波長を有する光フレーム化データに変換し、
    上記衛星通信手段は、受信した上記光フレーム化データを受信し、
    上記スイッチング手段は、上記光フレーム化データが有する波長アドレス情報基づいてこれを各出力端へ分波する波長分波器であり、
    更に上記人工衛星は、上記波長分波器により分波された各光フレーム化データを光-電気変換し、これを上記ＤＡ変換手段へ供給する光-電気変換手段を更に備えること
    を特徴とする請求項１３記載の宇宙通信システム。
  16. 上記波長分波器により分波された各フレーム化データについて、上記波長アドレス情報に基づいてビームフォーミング用に位相調整を施すための位相調整手段を更に備えること
    を特徴とする請求項１５記載の宇宙通信システム。
  17. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信システムにおいて、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星は、
    地球上における各観測領域から発信される、互いに宛先が異なる無線信号を複数の端末から検出する１又は複数のアンテナ素子と、
    上記各アンテナ素子により検出された信号をそれぞれＡＤ変換するＡＤ変換手段と、
    上記ＡＤ変換手段によりＡＤ変換されたアンテナ素子毎の信号にビームフォーミング処理を施して複数のビーム方向又はビームパターンにおける受信信号としてこれを分離する移相器ネットワークと、
    上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいて各ヘッダに上記ビーム方向又はビームパターンに関する情報を含めつつそれぞれに対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成するフレーム化処理手段と、
    上記フレーム化処理手段により生成されたフレーム化データを上記ヘッダ情報に基づいて多重化する多重化手段と、
    上記多重化手段により多重化されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信する衛星通信手段とを有し、
    上記地上通信ネットワークは、
    上記人工衛星群から上記フレーム化データを受信する地上局と、
    上記地上局を介して上記フレーム化データが送信される複数の通信端末とを有し、
    上記通信端末又は上記地上局は、上記観測領域に対応する特定のビーム方向又はビームパターンで放射された信号のみを検出すること
    を特徴とする宇宙通信システム。
  18. 上記地上通信ネットワーク並びに上記スイッチング手段は、Ｌ２／Ｌ３スイッチネットワークとして構成されていること
    を特徴とする請求項１７記載の宇宙通信システム。
  19. 上記人工衛星は、上記フレーム化処理手段から出力されたフレーム化データを上記フレーム化データに含まれる宛先に関する情報を波長に変換した光フレーム化データに変換する変換手段を更に備え、
    上記スイッチング手段は、上記光フレーム化データを合波する光波長合波器であること
    を特徴とする請求項１７記載の宇宙通信システム。
  20. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、
    地球上における各観測領域が放射する電磁波を１又は複数のアンテナ素子を介して検出し、
    上記各アンテナ素子により検出した電磁波に基づく信号をそれぞれＡＤ変換し、
    上記ＡＤ変換したアンテナ素子毎の信号を上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいてそれぞれアンテナ素子に対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成し、
    上記生成したフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信し、
    上記地上通信ネットワークでは、
    上記人工衛星群から地上局により上記フレーム化データを受信し、
    上記地上局を介して上記フレーム化データを複数の通信端末へ送信し、
    上記通信端末では、上記受信した各アンテナ素子に対応したフレーム化データから地球上における所望観測領域に応じたアンテナの指向性を適応的に形成することにより、特定の観測領域の電磁波放射状態を識別可能とすること
    を特徴とする宇宙通信方法。
  21. 一の人工衛星において生成した上記フレーム化データを、送信すべき１以上の他の人工衛星に応じて交換し、
    上記交換したフレーム化データをそれぞれ上記１以上の他の人工衛星へ送信し、
    上記他の人工衛星は、受信した上記フレーム化データを互いに異なる上記地上局へ送信すること
    を特徴とする請求項２０記載の宇宙通信方法。
  22. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、
    上記地上通信ネットワークでは、
    所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを通信端末から送信し、
    地上局が上記１以上の通信端末から上記フレーム化データを受信した場合にこれに含まれる宛先領域に関する情報に基づいて合成した新たなフレーム化処理を施すことにより新たなフレーム化データを生成し、これを上記人工衛星群へと送信し、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、
    上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信し、
    上記衛星通信手段により受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている情報に基づいて、各宛先領域に対してそれぞれ信号を送信可能な１又は複数の上記アンテナ素子毎に振り分け、フレームに含まれる実情報を抽出し、
    上記フレーム分配・分解手段により得られたアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給し、
    上記地上局又は通信端末では、上記宛先領域に応じて指向性を適応的に変化させるための信号処理を各宛先アンテナ素子に対応するフレーム毎に実施すること
    を特徴とする宇宙通信方法。
  23. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、
    上記地上通信ネットワークでは、
    所定の通信プロトコルに基づいた、地球上における宛先領域に関する情報又は上記人工衛星群内における宛先アンテナ素子に関する情報を含むヘッダを付したフレーム化データを通信端末から送信し、
    上記１以上の通信端末から送信されてきた上記データを地上局により上記人工衛星群へと送信し、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、
    上記地上局から直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記フレーム化データを受信し、
    上記受信した上記フレーム化データを上記ヘッダに含まれている宛先領域に関する情報又は使用すべきアンテナ素子に関する情報に基づいて分類し、
    上記分類したアンテナ素子毎の信号をそれぞれＤＡ変換し、これを上記アンテナ素子へそれぞれ供給し、
    上記信号を１又は複数のアンテナ素子により、地球上における上記宛先領域に対してそれぞれ送信すること
    を特徴とする宇宙通信方法。
  24. 地球上に構築された地上通信ネットワークと、地球周回軌道を周回する人工衛星群との間で宇宙通信する宇宙通信方法において、
    上記人工衛星群を構成する少なくとも一の人工衛星では、
    地球上における各観測領域から発信される、互いに宛先が異なる無線信号を１又は複数のアンテナ素子を介して検出し、
    上記各アンテナ素子により検出した信号をそれぞれＡＤ変換し、
    上記ＡＤ変換したアンテナ素子毎の信号にビームフォーミング処理を施して複数のビーム方向又はビームパターンにおける受信信号としてこれを分離し、
    上記地上通信ネットワーク内の通信プロトコルに基づいて各ヘッダに上記ビーム方向又はビームパターンに関する情報を含めつつそれぞれに対応させてフレーム化処理を施すことによりフレーム化データを生成し、
    上記生成したフレーム化データを上記ヘッダ情報に基づいて多重化し、
    上記多重化手段により多重化されたフレーム化データを直接的に又は他の人工衛星を介して間接的に上記地上通信ネットワークへ送信し、
    上記地上通信ネットワークでは、
    上記人工衛星群から地上局を介して上記フレーム化データを受信し、
    上記地上局を介して上記フレーム化データを複数の通信端末へ送信し、
    上記通信端末又は上記地上局では、上記観測領域に対応する特定のビーム方向又はビームパターンで放射された信号のみを検出すること
    を特徴とする宇宙通信方法。
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