JP5693401B2 - 制御局、中継器、送信器、通信システムおよび通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御局、中継器、送信器、通信システムおよび通信方法に関する。

近年、宇宙空間の地球周回軌道で動作する人工衛星等を用いて、地球上の船舶や航空機など２点間の通信を行う衛星通信システムが導入されている。このような衛星通信システムでは、地球上の通信機器から送信された信号を人工衛星に搭載された中継器にて受信し、中継器が当該信号を地球上の別の通信機器に送信(中継)することによって実現される。

また、近年、衛星通信システムの大容量化に伴い、地域ごとに異なるビームでデータ伝送を行うマルチビームデータ伝送が検討されている。マルチビームデータ伝送を従来のアナログ周波数変換によるスルーリピータ衛星を用いて実現した場合、アップリンク（地上局から衛星）のデータ伝送に必要な周波数はビーム数分確保する必要がある。

そこで、限られた周波数を有効利用するために、衛星が、受信した信号を最小周波数単位に分波した後に分波した信号を伝送先のビームに対して振り分け、振り分けた信号を合波して送信することにより、アップリンクの所要信号帯域幅を大幅に削減することができるチャネライザ技術が検討されている。

また、上述したマルチビームデータ伝送を実現するために、各アンテナ素子に対してデジタル信号処理で重み付けを行うことで任意の方位にアンテナの指向性をもたせるデジタルビームフォーミングが検討されている。

国際公開第２００４／０７３２２９号

しかしながら、上記従来の技術によれば、マルチビームデータ伝送を実現するためには、合波回路と、各アンテナ素子に対してウェイトを乗算する行列演算回路と、変調回路とをビーム数分だけ要する必要があり、また、ビーム数分以上のハイパワーアンプと、アンテナ素子を要する必要がある。一方、衛星ペイロードは搭載重量と消費電力が限られている。このため、より少ない回路でマルチビームデータ伝送を実現する必要がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、少ない回路でマルチビームデータ伝送を実現することができる制御局、中継器、送信器、通信システムおよび通信方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は２つ以上のビームを形成可能な中継器に対して、前記ビームに在圏する受信器を宛先として送信器から送信されたデータを前記送信器から受信して前記中継器へ送信する制御局であって、１以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、前記受信器と当該受信器が存在する前記ビームとの対応を保持し、保持している前記対応を参照して前記送信器から受信したデータを宛先の受信器に対応する前記ビームごとのデータに振り分けてビーム別データを生成するデータ振り分け部と、同一のクラスタに属する前記ビームに対応する前記ビーム別データが前記ビーム別データを送信する時間帯に応じて時間方向に配置されたフレームを生成するフレーム生成部と、クラスタごとに送信周波数を定めておき、同一のクラスタを宛先とする前記フレームを同一の送信周波数で送信する送信部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、少ない回路でマルチビームデータ伝送を実現することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の衛星通信システムの構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１の中継器の機能構成例を示す図である。 図３は、実施の形態１の中継器が形成するビームの配置例を示す図である。 図４は、実施の形態１の制御局から中継器へ送信するフレームの構成例を示す図である。 図５は、ビームの遷移の一例を示す図である。 図６は、実施の形態１の別のフレーム構成の一例を示す図である。 図７は、制御局の機能構成例を示す図である。 図８は、制御局から受信した信号の一例を示す図である。 図９は、実施の形態２の衛星通信システムにおいて制御局から中継器へ送信するフレームの構成例を示す図である。 図１０は、既知信号の後にウェイト番号を挿入する場合のフレーム構成例を示す図である。 図１１は、挿入する既知信号の種類をウェイト番号に応じて変更する場合のフレーム構成例を示す図である。 図１２は、既知信号を挿入する周波数帯域を変更する場合のフレーム構成例を示す図である。 図１３は、実施の形態３の衛星通信システムの構成例を示す図である。 図１４は、実施の形態３の中継器の機能構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる制御局、中継器、送信器、通信システムおよび通信方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる衛星通信システムの実施の形態１の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の衛星通信システムは、送信器１−１，１−２と、制御局２と、例えば人工衛星等に搭載される中継器３と、受信器４−１〜４−４と、を備える。送信器１−１，１−２と制御局２は有線または無線で接続され、制御局２と中継器３は、無線で接続されている。

中継器３は、例えば人工衛星等に搭載され１つ以上のビームを形成し、ビームに在圏する受信器４−１〜４−４と無線接続する。図１では、受信器４−１と受信器４−２が１つのビームに在圏し、他の１つのビームに受信器４−３と受信器４−４が在圏する例を図示しているが、ビームの数や、各ビームに在圏する受信器４−１〜４−４の数は図１の例に限定されない。また、中継器３は、マルチビームとは別の無線回線により制御局２と接続する。

つづいて、衛星通信システムを構成する中継器３の構成について説明する。図２は、中継器３の機能構成例を示す図である。中継器３は、受信アンテナ３０１−１〜３０１−Ｌ（Ｌは１以上の整数）と、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）３０２−１〜３０２−Ｌと、アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）３０３−１〜３０３−Ｌと、分波部３０４と、スイッチ部３０５と、合波部３０６と、デジタルビームフォーミング部（ＤＢＦ部：ウェイト乗算部）３０７と、デジタルアナログコンバータ（Ｄ／Ａ）３０８−１〜３０８−Ｐと、アップコンバータ（Ｕ／Ｃ）３０９−１〜３０９−Ｐと、ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）３１０−１〜３１０−Ｐと、送信アンテナ３１１−１〜３１１−Ｐと、制御部３１２と、を備える。

以下では、本実施の形態の衛星通信システムにおいて、送信器１−１，１−２が制御局２と中継器３を介して受信器４−１〜４−４にデータを送信する方法について説明する。送信器１−１，１−２は送信すべきデータを符号化、変調し、制御局２へ送信する。送信器１−１，１−２と制御局２との間の通信方式はいかなる方式を用いてもよい。また、送信器１−１，１−２は送信すべきデータと共に、送信先である受信器４−１〜４−４に固有に割り当てられた識別子を制御局に送信する。ここで識別子とは、例えばＩＰ（Internet Protocol）アドレスなどを用いればよい。

図３は、本実施の形態の中継器３が形成するビームの配置例を示す図である。ここでは、中継器３が照射する（形成する）全てのビームのうち、１つ以上の任意のビームの集合をクラスタと定義する。図３ではクラスタの数が７個であるが、必ずしも７個である必要はない。同様に、クラスタを構成するビーム数も７個であるが、必ずしも７個である必要はない。

制御局２は、送信器１−１，１−２からデータと送信先を示す識別子を受信すると、当該識別子に基づいて宛先の受信器４−１〜４−４が在圏するビームを決定する。なお、送信先の識別子に基づいて送信先のビームを決定する手段は、例えば予め識別子とビームの対応を示すテーブルを制御局２が保持する方法等があるがどのような方法を用いてもよい。テーブルを保持する場合、受信器４−１〜４−４が異なるビーム内に移動した場合は当該テーブルを更新することで常に送信先のビームを把握することができる。なお、受信器４−１〜４−４がどのビーム内に存在するかの情報は、例えば受信器４−１〜４−４から得ることとする。

また、制御局２は、送信器１−１，１−２から受信したデータのうち、送信先のビームが同一のクラスタ内に位置するデータをまとめてビーム別データとし、予め決められた周波数を用いて時系列に中継器３に対して送信する。

ここで、図４及び図５を用いて制御局２が中継器３に対してデータを送信する方法を説明する。なお、ここでは、便宜的にクラスタ内のビーム数は７とするが、クラスタ内のビーム数はこれに限定されない。図４は、本実施の形態の制御局２から中継器３へ送信するフレームの構成例を示す図である。図５は、ビームの遷移の一例を示す図である。図５では、図の簡略化のために２つのクラスタ１１１，１１２を示しているがクラスタの数はこれに限定されない。クラスタ１１１は、ビーム１０１〜１０７で構成される。

制御局２は、送信器１−１，１−２から同一クラスタ（ここでは、例えばクラスタ１１１とする）の７個の異なるビーム内の受信器を宛先とするデータを受信すると、図４に示すように、１フレーム内に、中継器３がフレームの先頭を検出するための既知信号と、データの切れ目を示すガードタイムと、を挿入した後に、図５のビーム１０１向けのデータ（ビーム１０１内の受信器を宛先とするデータをまとめたもの）を時間帯ｔ１に挿入する。また、ビーム１０１は、中継器３により時間帯ｔ１で形成されるビームとする。同様に、ビーム１０２〜１０７は、中継器３により時間帯ｔ２〜ｔ７でそれぞれ形成されるビームとする。

制御局２は、ビーム１０１向けのデータの挿入後、図４に示すように、ガードタイムを挟んでビーム１０２〜１０７向けのデータを順番に挿入し、既知信号の先頭からビーム１０７向けのデータまで（時間帯ｔ７の終了まで）を１つのフレームとして中継器３に送信する。なお、送信器１−１，１−２から受信したデータが１フレーム分以上ある場合は、引き続き既知信号から始まる同様のフレームを生成して中継器３へ送信する。このようにして、制御局２は、同一クラスタ内のビーム宛のデータについて、１つのフレームにまとめて同一周波数で送信する。

また、ガードタイムと１つのビーム向けのデータとで１つのサブフレームを構成するとする。サブフレームの長さはいかなる値であってもよいが、ｔ１からｔ７まで同じサブフレームの長さとする。

また、他のクラスタ（例えば図５のクラスタ１１２）内のビーム向けのデータが存在する場合は、クラスタ１１２についても、同様に、時間帯（ｔ１〜ｔ７）ごとに対応するビームを定めておき、同様のフレーム構成で送信する。

なお、既知信号の挿入方法は図４の例に限らない。図６は、本実施の形態の別のフレーム構成の一例を示す図である。例えば図６に示すようにデータとは異なる周波数に既知信号を挿入してもよく、制御局２と中継器３の間で既知信号が挿入されている箇所が予め決められていればよい。

また、制御局２と中継器３が共にＧＰＳ（Global Positioning System）などを用いて高精度な基準となる時刻を保持している場合、中継器３は基準となる時刻を元にフレームの先頭を検出することが可能となるため、既知信号を挿入する必要はない。

さらには、上述したガードタイムに、クラスタ内のビーム位置を示すインデックスを挿入してもよい。例えば、ビーム１０１向けに送信するデータの同一サブフレーム内のガードタイムにビーム１０１を識別するための値（例えば“１”）を挿入し、ビーム１０２向けに送信するデータの同一サブフレーム内のガードタイムにビーム１０２を識別するための値（例えば“２”）を挿入する等とすることも可能である。さらには、制御局２は送信器１−１，１−２からの信号を送信する回線とは別の回線でフレームの先頭を示す情報と、ビーム位置を示す情報を含む制御情報を送信すれば、中継器３は当該制御情報を元にフレームの先頭を識別することが可能となるため、既知信号、及びビーム位置を示すインデックスを挿入する必要はない。

図７は、本実施の形態の制御局２の構成例を示す図である。制御局２は、図７に示すように、例えば、受信アンテナ２０１と、受信信号に所定の受信処理を行う受信部２０２と、受信器４−１〜４−４の識別情報と受信器４−１〜４−４が在圏するビームの識別情報と当該ビームが属するクラスタの識別情報とを対応づけて保持し、保持している情報を参照して送信器１−１，１−２から受信したデータの宛先の受信器４−１〜４−４に基づいて当該データを宛先のビームごとに振り分けるデータ振り分け部２０３を備える。また、制御局２は、同一のクラスタに属するビームを宛先とするデータを宛先のビームごとに所定の順序に時間順に並べてフレームを生成するフレーム生成部２０４と、クラスタごとに定められた周波数で生成したフレームを送信アンテナ２０６を用いて送信する送信部２０５と、を備える。

中継器３は、受信アンテナ３０１〜３０１−Ｌで制御局２からデータを受信する、受信アンテナｉ（ｉ＝１，２，…，Ｌ）で受信したデータは、Ｄ／Ｃ３０２−ｉでＩＦ（Intermediate Frequency）に変換され、その後、Ａ／Ｄ３０３−ｉによりアナログ信号からデジタル信号に変換される。

分波部３０４は、Ａ／Ｄ３０３−１〜３０３−Ｌから入力されるデジタル信号をＭ個に分波する。図８は、制御局から受信した信号の一例を示す図である。例えば、制御局２から図８（ａ）のような信号を受信したとすると、図８（ｂ）のように１０個（Ｍ＝１０）に分波信号が生成される。Ｍとしては、いかなる値としてもよく、例えば中継器３の処理能力に依存される。

スイッチ部３０５は、分波後の各信号を中継先のクラスタに割り振る。例えば、図８（ｂ）のような分波信号において、＃０から＃３及び＃７から＃９が図５のクラスタ１１１宛のデータであり、＃４から＃６がクラスタ１１２宛のデータであった場合、スイッチ部３０５は＃４から＃６までのデータと＃７から＃９までのデータを図８（ｃ）のように並び替える。なお、分波後の信号と割り振り先のクラスタとの対応関係（送信された周波数とクラスタとの対応）は、システムとして予め決められていてもよいし、制御部３１２が地上の制御局２から前記対応関係を示す制御情報を受信し、当該情報をスイッチ部３０５に通知してもよい。

合波部３０６は、スイッチ部３０５で割り振られたクラスタ毎の分波信号をＮ個の合波信号に合波する。例えば、図８（ｃ）のようにスイッチ部３０５でデータが並び替えられた場合、図８（ｄ）のように＃０から＃６までのデータを合波し、＃７から＃９までのデータを合波する。つまり本例によれば、Ｎ＝２個の合波信号が生成される。

ＤＢＦ部３０７は、合波信号と保持している既知信号との相関演算によりフレームの先頭を検出し、ガードタイムを削除した後に、各サブフレームに対して異なるウェイト値を乗算する。すなわち、ＤＢＦ部３０７は、フレームの先頭を検出するフレーム同期部と、ガードタイムからデータの先頭を検出するデータ同期部と、ガードタイムを削除するガードタイム削除部と、を備える。

なお、上述したように、制御局２と中継器３が共にＧＰＳなどにより基準となる高精度な時刻を保持している場合、既知信号による相関演算は不要で、当該基準時刻を元にフレームの先頭を検出してもよい。さらには、制御局２は送信器１−１，１−２からの信号を送信する回線とは別の回線でフレームの先頭を示す制御情報を送信している場合、既知信号による相関演算は不要で、当該制御情報を元にフレームの先頭を検出してもよい。

また、上述したウェイト値とは、デジタルビームフォーミングを行うため、各アンテナ素子に乗算する係数を指す。Ｎ個の合波信号をＰ個のアンテナ素子を用いてビーム形成する場合はＮ×Ｐの行列演算を要するため、この行列演算のために乗算する係数群をウェイト値とする。

また、ＤＢＦ部３０７は、図４に示したフレーム構成に対応して、時間帯ｔ１では図５のビーム１０１を形成するためのウェイト値（ｗ１）、ｔ２の時刻ではｔ２のビームを形成するためのウェイト値（ｗ２）を乗算することで、図５に矢印で示したようにｔ１からｔ７までサブフレームごとにビームの照射先を変更する。このため、所望のビームに対して所望のデータを送信することができる。この際、フレーム内のビームの順番が固定されている場合は、その順番に従ってビームを形成し、ガードインターバル内にビームの識別情報が挿入されている場合には、この情報に基づいて対応するビームを形成する。

また、隣接する別のクラスタもｔ１からｔ７まで同様の順番で照射するビームを変更するようにすると、同時に照射されるビーム間では一定以上の距離を確保することができるため、隣接するビームで同一の周波数を用いても干渉量を減らすことができる。

さらには、上述したようにガードタイムにビームの位置を示すインデックスが含まれている場合、または、別の回線でビームの位置を示すインデックスを含む制御情報を受信している場合は、そのインデックスに対応したウェイト値を乗算することで、必ずしもｔ１からｔ７までビームの照射位置を固定的に変更する必要はなく、データ量に応じて各ビームに割り当てるサブフレーム数を柔軟に変更することができる。

さらには、中継器３は、ガードタイムの電力を測定し、電力が一定値以下である場合は、当該サブフレームにはデータが含まれていないと判断し、ウェイト乗算およびデータの送信を停止してもよい。なお、この場合、制御局２は、データが含まれていないサブフレームでは、ガードタイムで信号を送信しないまたは一定値以下の電力で所定の信号を送信するとする。

Ｄ／Ａ３０８−ｊ（ｊ＝１，２，…，Ｐ）は、ウェイト値が乗算された信号を、デジタル信号からアナログ信号に変換し、Ｕ／Ｃ３０９−ｊはアナログ信号をＲＦ信号に変換する。そして、ＨＰＡ３１０−ｊが、ＲＦ信号を増幅して送信アンテナ３１１−ｊからＲＦ信号を送信することにより、各ビームに対して信号を送信する。

以上説明したように、本実施の形態では、送信器１−１，１−２が制御局２と中継器３を介して受信器４−１〜４−４にデータを伝送する過程において、制御局２は、複数の送信器からのデータのうち、同じクラスタに含まれるビーム向けのデータを時系列で中継器に送信することとした。

また、中継器３は、制御局２から受信した信号のフレーム先頭を検出し、サブフレームごとに異なるウェイト値を乗算することで、所望のビームに対して所望のデータを送信することとした。

こうすることで、中継器３が複数のビームに対してデータを送信する場合においても、同一時刻に送信されるビーム数はクラスタ数以下に限定されるため、合波部３０６、ＤＢＦ部３０７の回路規模を削減することが可能となる。

なお、本実施の形態における制御局２および中継器３は従来のチャネライザと併用することも可能であり、例えば通信トラヒックが過多なビームに対しては従来のチャネライザのように固定的な周波数を割り当てることにより他のビームと時間を共用せず、通信トラヒックが少ないビームに対してのみ上述したとおりビームを時系列に切り替える動作を行うようにしてもよい。

実施の形態２．
図９は、本発明にかかる実施の形態２の衛星通信システムにおいて制御局から中継器へ送信するフレームの構成例を示す図である。本実施の形態の衛星通信システムの構成は、実施の形態１と同様である。また、本実施の形態の中継器３の構成は、実施の形態１の中継器３の構成と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下では、実施の形態１との相違点のみを説明する。

実施の形態１では、制御局２が、複数の送信器１−１，１−２から受信したデータのうち、同じクラスタに含まれるビーム向けのデータをまとめてフレームを生成し、サブフレーム単位で時系列に中継器３に送信することとした。

ここで、実施の形態１では、サブフレームの長さは同じであったため、各ビームのスループットはほぼ同じになる。一方で、例えば都市部をカバーするビームと海上をカバーするビームが存在する場合、両者の間では要求される通信トラヒック量は大きく異なることが想定されるため、通信トラヒック量に応じて通信リソース（ビーム照射時間、周波数）を柔軟に変更できることが望ましい。

そこで、本実施の形態では上述した要求を鑑み、各ビームの通信トラヒック量に応じてビームの照射時間、または周波数を変更する方法について説明する。

制御局２は、複数の送信器１−１，１−２からデータを受信すると、以下の（１）〜（５）に示す５つの指標のうち少なくとも１つ以上を用いて、各ビームに対して割り当てる時間と周波数を決定する。

（１）各ビームに送信するトラヒック量
制御局２は中継器３が送信可能なすべてのクラスタのうち、各クラスタへ送信するトラヒック量に応じて割り当てる周波数を変更する。例えば、中継器３が送信可能な帯域が１０ＭＨｚ、クラスタ数が２個の場合、それぞれのクラスタへ送信するトラヒック量が３対７であれば、３ＭＨｚと７ＭＨｚをそれぞれのクラスタ向けに割り当てる。また、制御局２は各クラスタ内の各ビームへ送信するトラヒック量に応じて割り当てる時間率を変更する。例えば、任意のクラスタ内のビーム数が３個の場合、それぞれのビームへ送信するトラヒック量が６対４対０であれば、左記の比率となるような時間帯を各ビームに割り当てて対応するデータを中継器３に送信すればよい。なお、上述したトラヒック量とは、例えば制御局２が受信したデータを任意の時間で平均した値とする。

（２）各ビームに送信するデータの平均トラヒック量と瞬時トラヒック量の比
送信先となる各クラスタおよびビームの平均トラヒック量と瞬時トラヒック量の比に基づいて周波数と時間を決定する。なお、瞬時トラヒック量とは、任意の時刻（ｓ）で平均化したトラヒック量であり、平均トラヒック量とは、任意の時刻（ｔ）で平均化したトラヒック量であり、ｓよりｔは長い時間とする。また、上述した比が高いほど周波数，時間を多く割り当てるものとする。

（３）各ビームに送信するデータの許容遅延量
各クラスタおよびビームに送信するデータの許容遅延量に基づいて周波数と時間を決定する。例えば、リアルタイム性を要する音声や映像を送信する場合は、制御局２が送信器１−１，１−２からデータを受信した時刻から中継器３へ当該データを送信するまでの時間が許容遅延量未満となるように周波数と時間を決定する。なお、許容遅延量はデータに付随して送信器１−１，１−２が制御局２へ通知すればよい。

（４）各ビームに送信するデータの優先度
データの優先度に基づいて周波数と時間を決定する。なお、優先度はデータに付随して送信器１−１，１−２が制御局２へ通知すればよく、優先度が高いほど多くの周波数と時間を割り当てる。

（５）各ビームを形成するための必要電力
各ビームを形成するために必要な電力に基づいて周波数および時間を決定する。例えば、任意のビームを形成するのに必要なアンテナ素子およびＨＰＡの消費電力が一定値以下となるように時間と周波数を決定する。

制御局２は、各クラスタおよびビームに割り当てる時間と周波数を決定した後に、クラスタごとに、既知信号を挿入した後に、当該クラスタ内のビーム向けのデータをそれぞれ挿入することによりフレームを生成する。図９は、このフレーム構成の一例を示している。実施の形態１では、既知信号はフレームの先頭を検出するために用いられていたが、本実施の形態では、各ビームに送信するデータに対してそれぞれ既知信号を挿入する。そして、制御局２は、クラスタごとに生成したフレームを、当該クラスタに割り当てた周波数で送信する。

また、既知信号の後にウェイト番号を挿入してもよい。図１０は、既知信号の後にウェイト番号（すなわち、ビームの識別情報）を挿入する場合のフレーム構成例を示す図である。図９の例では、時間は柔軟に変えることができたがビームの照射先（ビームの順番）は固定であったのに対して、図１０の例ではビームの照射先（ビームの順番）を自由に変更することができる。

さらには、挿入する既知信号の種類をウェイト番号に応じて変更してもよい。図１１は、挿入する既知信号の種類をウェイト番号に応じて変更する場合のフレーム構成例を示す図である。図１０の例では明示的にウェイト番号を挿入していたのに対し、図１１の例では、ウェイト番号と既知信号の種類と１対１の関係となるよう予め定めておけば、中継器３が既知信号の種類を判別することによってウェイト番号を推定することができるうえに、図１０のように別途ウェイト番号を送信する必要がなくなり、オーバヘッドを削減することができる。

さらには、既知信号を挿入する周波数帯域をウェイト番号に応じて変更してもよい。図１２は、既知信号を挿入する周波数帯域を変更する場合のフレーム構成例を示す図である。図１１の例では中継器３で複数の既知信号を保持し、それぞれ相関演算することによって所望の既知信号の種類を判定する必要があったが、図１２の例では、１つの既知信号と受信信号を相関演算し、相関値の電力によってウェイト番号を推定することができるため、中継器３の回路規模を削減することができる。

中継器３は制御局２からデータを受信すると、ＤＢＦ部３０７にて所望のウェイトを乗算する。なお、合波部３０６以前の処理は実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。ＤＢＦ部３０７は、受信信号と既知信号とを相関演算し、各ビーム向けのデータの先頭を検出する。なお、図１１のフォーマットでデータを受信した場合、中継器３は全種類の既知信号を用いてそれぞれ相関演算して、当該既知信号に続くデータがどのビーム向けのデータであるかを判断する。

ＤＢＦ部３０７は、データの先頭を検出したら、ウェイト値を乗算する。ここで、図９のフォーマットであれば、先頭から順番にｗ１、ｗ２のウェイトを乗算するのに対して、図１０のフォーマットであれば、既知信号の後に挿入されているウェイト番号に従いウェイトを乗算する。また、図１１のフォーマットであれば、上述したとおり既知信号の種類からウェイト番号を推定し、当該ウェイト番号に対応したウェイト値を乗算する。

また、図１２のフォーマットであれば、相関演算後の電力に基づいてウェイト番号を推定し、当該ウェイト番号に対応したウェイト値を乗算する。Ｄ／Ａ３０８以降の処理は実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、本実施の形態では、送信器１−１，１−２が制御局２と中継器３を介して受信器４−１〜４−４にデータを伝送する過程において、制御局２は、複数の送信器１−１，１−２からのデータのトラフィック量、許容遅延量、優先度、ビーム形成電力等に基づいて、各クラスタおよびビーム向けのデータの送信に割り当てる周波数と時間を決定し、中継器３へデータを送信することとした。

また、中継器３は制御局２から受信したデータに基づいてデータの先頭、ビームのウェイト値等を推定し、ウェイト値を乗算することで、所望のビームに対して所望のデータを送信することとした。

このようにすることで、クラスタおよびビームごとに異なる通信トラヒック量が発生した場合においても、各送信器１−１，１−２、受信器４−１〜４−４の通信品質（ユーザスループット、データ伝送遅延）を損なうことなく、合波部３０６、ＤＢＦ部３０７の回路規模を削減することが可能となる。

なお、本実施の形態における制御局２および中継器３は、従来のチャネライザと併用することも可能であり、例えば通信トラヒックが過多なビームに対しては従来のチャネライザのように固定的な周波数を割り当て他のビームと時間を共用せず、通信トラヒックが少ないビームに対してのみ上述したとおりビームを時系列に切り替える動作を行ってもよい。

実施の形態３．
図１３は、本発明にかかる衛星通信システムの実施の形態３の構成例を示す図である。本実施の形態の衛星通信システムは、送信器５−１〜５−４と、中継器６と、受信器４−１〜４−４と、を備える。受信器４−１〜４−４は、実施の形態１の受信器４−１〜４−４と同様である。

実施の形態１、２では、制御局２が、複数の送信器から受信したデータのうち、同じクラスタに含まれるビーム向けのデータをまとめてフレームを生成し、サブフレーム単位で時系列に中継器に送信することとした。本実施の形態では、送信器５−１〜５−４は、中継器６が形成する受信用の１つ以上のビーム内に存在し、制御局２を介さずに、中継器６を経由して受信器４−１〜４−４宛のデータを送信する。

図１４は、本実施の形態の中継器６の機能構成例を示す図である。図１４に示すように、本実施の形態の中継器６は、ＲＸＤＢＦ部（受信側ウェイト乗算部）６０１を追加する以外は、実施の形態１の中継器３と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下では、実施の形態１との相違点のみを説明する。

本実施の形態において、送信器５−１〜５−４が中継器６を介して受信器４−１〜４−４にデータを送信する方法について説明する。送信器５−１〜５−４は、送信すべきデータを符号化変調し、中継器６に送信する。

実施の形態１では、送信器１−１〜１−４から制御局２への送信の通信形態に制約はなかったが、本実施の形態では、送信器５−１〜５−４は無線により中継器６にデータを送信する。また、送信器５−１〜５−４は、予め決められた時間および周波数を用いて中継器６へのデータ送信を実施する。

具体的には、例えば、中継器６の受信のビーム配置が図５に示したような構成であった場合、図４または図６に示したフォーマットに従い、送信器５−１〜５−４は自身が存在するビーム（中継器６の受信ビーム）に対応する時刻でデータを送信する。例えば、送信器５−１がビーム１０１内に存在していた場合は、ガードタイムの挿入後に時間帯ｔ１でデータを送信する。送信器５−１〜５−４は、実施の形態１の制御局２と同様に既知信号も送信するが、送信器５−１〜５−４と中継器６とがＧＰＳなどを用いて高精度な基準時刻を保持している場合は、必ずしも既知信号を挿入する必要はない。また、周波数については、送信器５−１〜５−４が存在するビーム（中継器６の受信ビーム）が属するクラスタと宛先の受信器の存在するクラスタとの組み合わせごとに定められているとする。

中継器６は、送信器５−１〜５−４からデータを受信すると、ＲＸＤＢＦ部６０１で既知信号との相関演算に基づき、またはＧＰＳなどの基準時刻に基づいてフレームの先頭を検出する。その後、ＲＸＤＢＦ部６０１は時刻ｔ１から順に受信ビームに対応したウェイト値を乗算する。

制御部３１２は、ウェイト値を乗算後に、各フレーム内のデータを、データの宛先の受信器が存在するビームごとに図４または図６に示したフォーマットとなるよう、データの並び変えを行って、分波部３０４へ並び替え後のデータを出力する。すなわち、実施の形態１の制御局２が中継器３へ送信したデータと同様のフレーム構成の順序にデータを並び替える。なお、この並び替えの動作は、制御部３１２が実施せずに、別途並び替え部を備えてもよい。また、実施の形態２で述べたように宛先のビームの順序を固定せず、トラフィック量等に応じて宛先のビームへ割り当てる時間帯を適応的に決定してもよい。

分波部３０４は、ウェイト値乗算後の信号を周波数に基づいて宛先のクラスタごとの信号となるよう分波する。スイッチ部３０５以降の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

なお、本実施の形態では、制御部３１２（または並び替え部）が、データの宛先ごとに並び替えを行うことにより、送信側についても実施の形態１、２と同様に回路を削減するようにしているが、宛先ごとに並び替えを行わず、送信側については従来と同様の動作を行うようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態では、送信器５−１〜５−４が、自身の存在する中継器６の受信ビームに対応して定められた周波数および時間帯で中継器６へのデータ送信を行うようにした。このため、制御局２を備えずに、送信器５−１〜５−４が中継器６を介して受信器４−１〜４−４へデータを送信することができる。また、中継器６が受信側もマルチビームを構成する場合に、ＲＸＤＢＦ部６０１の回路を削減することができる。さらに、宛先のビームごとに実施の形態１、２と同様に並び替えを行うと、合波部３０６、ＤＢＦ部３０７の回路規模を削減することが可能となる。

１−１，１−２，５−１〜５−４ 送信器
２ 制御局
３，６ 中継器
４−１〜４−４ 受信器
３０１−１〜３０１−Ｌ 受信アンテナ
３０２−１〜３０２−Ｌ ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）
３０３−１〜３０３−Ｌ アナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）
３０４ 分波部
３０５ スイッチ部
３０６ 合波部
３０７ デジタルビームフォーミング部（ＤＢＦ部）
３０８−１〜３０８Ｐ デジタルアナログコンバータ（Ｄ／Ａ）
３０９−１〜３０９−Ｐ アップコンバータ（Ｕ／Ｃ）
３１０−１〜３１０−Ｐ ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）
３１１−１〜３１１−Ｐ 送信アンテナ
３１２ 制御部

Claims (29)

1. ２つ以上のビームを形成可能な中継器に対して、前記ビームに在圏する受信器を宛先として送信器から送信されたデータを前記送信器から受信して前記中継器へ送信する制御局であって、
   １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
   前記受信器と当該受信器が存在する前記ビームとの対応を保持し、保持している前記対応を参照して前記送信器から受信したデータを宛先の受信器に対応する前記ビームごとのデータに振り分けてビーム別データを生成するデータ振り分け部と、
   同一のクラスタに属する前記ビームに対応する前記ビーム別データが前記ビーム別データを送信する時間帯に応じて時間方向に配置されたフレームを生成するフレーム生成部と、
   クラスタごとに送信周波数を定めておき、同一のクラスタを宛先とする前記フレームを同一の送信周波数で送信する送信部と、
   を備えることを特徴とする制御局。
2. 前記フレーム生成部は、既知信号を前記フレームの先頭に挿入する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御局。
3. 既知信号を、前記ビーム別データを送信する時間帯内で前記ビーム別データを送信する周波数とは別の周波数で送信する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御局。
4. 前記フレーム生成部は、前記フレームを同一のクラスタを構成する前記ビームの数以上のサブフレームで構成し、１つの前記サブフレームに１つの前記ビーム別データを挿入する、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載の制御局。
5. 前記フレーム生成部は、各サブフレームの先頭にガードタイムを挿入する、ことを特徴とする請求項４に記載の制御局。
6. 前記フレーム生成部は、前記ビーム別データが所定の時間順で配置されるよう前記ビーム別データを前記サブフレームに挿入する、ことを特徴とする請求項４または５に記載の制御局。
7. 前記フレーム生成部は、前記ガードタイムに当該サブフレームのビーム別データに対応するビームの識別情報を挿入する、ことを特徴とする請求項５に記載の制御局。
8. 前記データのトラヒック量、前記データの許容遅延量、前記データの優先度、ビーム形成電力のうちいずれか１つ以上に基づいて、１フレーム内の前記ビーム別データを送信する時間帯とクラスタに割り当てる送信周波数帯域幅とのうち少なくとも１つを決定し、前記ビーム別データごとに既知信号を挿入する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御局。
9. 各クラスタへ送信する前記データのトラヒック量に応じて、クラスタに割り当てる送信周波数を決定する、ことを特徴とする請求項８に記載の制御局。
10. 各クラスタおよびビームへ送信する前記データの平均トラヒック量と瞬時トラヒック量の比に基づいてクラスタに割り当てる送信周波数と前記ビームに対応するビーム別データを送信する時間帯を決定する、ことを特徴とする請求項８または９に記載の制御局。
11. 各クラスタおよびビームへ送信するデータの許容遅延量に基づいてクラスタに割り当てる送信周波数と前記ビームに対応するビーム別データを送信する時間帯を決定する、ことを特徴とする請求項８、９または１０に記載の制御局。
12. 各クラスタおよびビームに送信するデータの優先度に基づいてクラスタに割り当てる送信周波数と前記ビームに対応するビーム別データを送信する時間帯を決定する、ことを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１つに記載の制御局。
13. 各ビームを形成するために必要な電力に基づいて前記ビームに対応するビーム別データを送信する時間帯を決定する、ことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１つに記載の制御局。
14. 前記フレーム生成部は、前記フレーム内にビームの識別情報を前記ビーム別データごとに挿入する、ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１つに記載の制御局。
15. 前記既知信号を、前記ビーム別データに対応するビームに応じて異なる値とする、ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１つに記載の制御局。
16. 前記既知信号を、同一の既知信号をビームに応じて異なる周波数帯域幅とする、ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１つに記載の制御局。
17. ２つ以上のビームを形成可能であり、制御局から受信したデータを前記ビームに存圏する宛先の受信器へ中継する中継器であって、
    １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
    前記制御局から、前記データの宛先の受信器が存圏するクラスタごとに異なる送信周波数で、同一クラスタ内の前記ビームに存圏する受信器を宛先とする前記データをビームごとにまとめたビーム別データが１フレーム内に前記ビーム別データの送信される時間帯に応じて時間方向に配置されて送信された前記データを受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナにより受信された受信信号を受信した周波数に基づいて複数の分波信号に分波する分波部と、
    前記分波信号を対応するクラスタへ切り替えるスイッチ部と、
    前記分波信号を１つ以上の合波信号に合波する合波部と、
    前記合波信号に対して、ビームごとに異なるウェイト値を乗算するウェイト乗算部と、
    を備え、
    前記ウェイト乗算部は、前記ビーム別データの送信時間帯に同期して当該ビーム別データに対応する前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする中継器。
18. 前記制御局は、前記ビーム別データを所定の順序で１フレーム内に格納して送信し、
    前記ウェイト乗算部は、前記所定の順序で前記ビームに対応するウェイト値を切り替える、ことを特徴とする請求項１７に記載の中継器。
19. 前記制御局は、前記ビーム別データごとに、前記ビーム別データの直前に当該ビーム別データに対応する前記ビームの識別情報を挿入してフレームを送信し、
    前記ウェイト乗算部は、前記ビームの識別情報に基づいて当該ビームに対応するウェイト値に切り替える、ことを特徴とする請求項１７に記載の中継器。
20. 前記制御局から送信されるフレームには、前記ビーム別データごとに、前記ビーム別データの直前にガードタイムを挿入されるとし、
    前記制御局から受信したフレームの先頭を検出するフレーム同期部と、
    ガードタイムに基づいて前記ビーム別データの区切りを検出するデータ同期部と、
    ガードタイムを削除するガードタイム削除部と、を備え、
    前記ウェイト乗算部は、前記データ同期部が検出した区切りで乗算するウェイト値を切り替える、ことを特徴とする請求項１７、１８または１９に記載の中継器。
21. 前記フレーム同期部は、前記制御局から送信されるフレームに挿入された既知信号と保持している既知信号との相関演算を行うことでフレームの先頭を検出する、ことを特徴とする請求項２０に記載の中継器。
22. 前記フレーム同期部は、ＧＰＳ衛星から取得した基準時刻に基づいてフレームの先頭を検出する、ことを特徴とする請求項２０に記載の中継器。
23. 前記制御局から送信されたフレームのガードタイムの電力を測定し、前記電力が閾値以下である場合は、当該ガードタイムの直後の前記ビーム別データに対してウェイト値の乗算以降の処理を実施しない、ことを特徴とする請求項２０、２１または２２に記載の中継器。
24. ２つ以上の受信ビームを形成可能であり、前記受信ビームに存圏する送信器から受信したデータを宛先の受信器へ中継する中継器であって、
    １以上の前記受信ビームでクラスタを構成することとし、
    前記送信器から、前記送信器が存圏するクラスタごとに異なる送信周波数で、同一クラスタ内で前記ビームごとに送信時間帯が異なるように前記ビームごとに割り当てられた送信時間帯で送信された前記データを受信する複数の受信アンテナと、
    前記複数の受信アンテナにより受信された受信信号にビームごとに異なるウェイト値を乗算する受信側ウェイト乗算部と、
    を備え、
    前記受信側ウェイト乗算部は、前記ビームごとに割り当てられた送信時間帯に同期して前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする中継器。
25. ２つ以上の受信ビームを形成可能な中継器、を経由して宛先の受信器へデータを送信する送信器であって、
    １以上の前記受信ビームでクラスタを構成することとし、
    同一クラスタ内で前記受信ビームごとに送信時間帯が異なるように送信時間帯が割当てられ、自器が存在する前記受信ビームに割り当てられた送信時間帯で、前記受信ビームが属するクラスタに割り当てられた送信周波数を用いて、前記データを前記中継器へ送信する、ことを特徴とする送信器。
26. ２つ以上のビームを形成可能な中継器と、前記ビームに在圏する受信器を宛先として送信器から送信されたデータを前記送信器から受信して前記中継器へ送信する制御局と、を備える通信システムであって、
    １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
    前記制御局は、
    前記受信器と当該受信器が存在する前記ビームとの対応を保持し、保持している前記対応を参照して前記送信器から受信したデータを宛先の受信器に対応する前記ビームごとのデータに振り分けてビーム別データを生成するデータ振り分け部と、
    同一のクラスタに属する前記ビームに対応する前記ビーム別データが前記ビーム別データを送信する時間帯に応じて時間方向に配置されたフレームを生成するフレーム生成部と、
    クラスタごとに送信周波数を定めておき、同一のクラスタを宛先とする前記フレームを同一の送信周波数で送信する送信部と、
    を備え、
    前記中継器は、
    前記制御局から、前記データを受信する受信アンテナと、
    前記受信アンテナにより受信された受信信号を受信した周波数に基づいて複数の分波信号に分波する分波部と、
    前記分波信号を対応するクラスタへ切り替えるスイッチ部と、
    前記分波信号を１つ以上の合波信号に合波する合波部と、
    前記合波信号に対して、ビームごとに異なるウェイト値を乗算するウェイト乗算部と、
    を備え、
    前記ウェイト乗算部は、前記ビーム別データの送信時間帯に同期して当該ビーム別データに対応する前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする通信システム。
27. ２つ以上のビームを形成可能な中継器と、前記ビームに在圏し、前記中継器を経由して宛先の受信器へデータを送信する送信器と、を備える通信システムであって、
    １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
    前記送信器は、同一クラスタ内で前記ビームごとに送信時間帯が異なるように送信時間帯が割当てられ、自器が存在する前記受信ビームに割り当てられた送信時間帯で、前記受信ビームが属するクラスタに割り当てられた送信周波数を用いて、前記データを前記中継器へ送信し、
    前記中継器は、
    前記送信器から、前記データを受信する複数の受信アンテナと、
    前記複数の受信アンテナにより受信された受信信号にビームごとに異なるウェイト値を乗算する受信側ウェイト乗算部と、
    を備え、
    前記受信側ウェイト乗算部は、前記ビームごとに割り当てられた送信時間帯に同期して前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする通信システム。
28. ２つ以上のビームを形成可能な中継器と、前記ビームに在圏する受信器を宛先として送信器から送信されたデータを前記送信器から受信して前記中継器へ送信する制御局と、を備える通信システムにおける通信方法であって、
    １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
    前記制御局が、前記受信器と当該受信器が存在する前記ビームとの対応を保持し、保持している前記対応を参照して前記送信器から受信したデータを宛先の受信器に対応する前記ビームごとのデータに振り分けてビーム別データを生成するデータ振り分けステップと、
    前記制御局が、同一のクラスタに属する前記ビームに対応する前記ビーム別データが前記ビーム別データを送信する時間帯に応じて時間方向に配置されたフレームを生成するフレーム生成ステップと、
    前記制御局が、クラスタごとに送信周波数を定めておき、同一のクラスタを宛先とする前記フレームを同一の送信周波数で送信する送信ステップと、
    前記中継器が、前記制御局から、前記データを受信する受信ステップと、
    前記受信ステップで受信された受信信号を受信した周波数に基づいて複数の分波信号に分波する分波ステップと、
    前記中継器が、前記分波信号を対応するクラスタへ切り替える切り替えステップと、
    前記中継器が、前記分波信号を１つ以上の合波信号に合波する合波ステップと、
    前記中継器が、前記合波信号に対して、ビームごとに異なるウェイト値を乗算するウェイト乗算ステップと、
    を含み、
    前記ウェイト乗算ステップでは、前記ビーム別データの送信時間帯に同期して当該ビーム別データに対応する前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする通信方法。
29. ２つ以上のビームを形成可能な中継器と、前記ビームに在圏し、前記中継器を経由して宛先の受信器へデータを送信する送信器と、を備える通信システムにおける通信方法であって、
    １以上の前記ビームでクラスタを構成することとし、
    前記送信器が、同一クラスタ内で前記ビームごとに送信時間帯が異なるように送信時間帯が割当てられ、自器が存在する前記受信ビームに割り当てられた送信時間帯で、前記受信ビームが属するクラスタに割り当てられた送信周波数を用いて、前記データを前記中継器へ送信する送信ステップと、
    前記中継器が、前記送信器から、前記データを複数の受信アンテナで受信する受信ステップと、
    前記複数の受信アンテナにより受信された受信信号にビームごとに異なるウェイト値を乗算する受信側ウェイト乗算ステップと、
    を含み、
    前記受信側ウェイト乗算ステップでは、前記ビームごとに割り当てられた送信時間帯に同期して前記ビームに対応するウェイト値を乗算する、ことを特徴とする通信方法。

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