JP5859418B2 - 地球局装置および地球局装置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、衛星通信における地球局装置の通信能力（ＥＩＲＰ：アンテナ利得と送信電力の積、Ｇ／Ｔ：アンテナ利得Ｇと雑音指数を温度変換した雑音温度Ｔの比）の低い送受信装置を複数用いて、これらを適切に連係動作させることにより通信能力を向上させ、広帯域・大容量の伝送信号の送受信を可能とする衛星通信システムの地球局装置および地球局装置制御方法に関する。

衛星通信システムにおいて、複数のユーザが接続する基地局やリッチ・コンテンツ等の送受信を希望するユーザ局のように、広帯域・大容量の信号を伝送することが求められる場合、これを実現するためには通信能力（ＥＩＲＰ，Ｇ／Ｔ）の高い地球局装置が必要となる。

従来の衛星通信システムにおいて所定の信号を伝送するためには、回線設計に応じたＥＩＲＰおよびＧ／Ｔが必要である。必要とされるＥＩＲＰは、変調方式を固定した場合は、通信容量に比例して増大する。また、多値化を行うことで１Hz当たりの伝送ビット数を向上させて周波数を減らすことができるが、反面より多くのＥＩＲＰが必要となる。また、同一の信号伝送を前提とした場合、互いに通信を行う地球局間のＥＩＲＰとＧ／Ｔは相補的な関係にある。

ＥＩＲＰの向上には、アンテナ利得の向上または送信出力の増大のいずれか、もしくは両方が必要である。アンテナ利得の向上には、アンテナの開口面積の増大が必要である。一方、送信出力の増大に関しては、年々、最大出力電力が向上しているものの限界がある。さらに、送信出力の増大については、送信機を構成するコンポーネントに、耐電力性が求められる。一方、Ｇ／Ｔの向上には、アンテナ利得の向上または受信機の低雑音化のいずれか、もしくは両方が必要である。アンテナ利得に関しては前述の通りであり、受信機の低雑音化に関しては、これ以上の低雑音化が見込めないのが現状である。以上の理由により、地球局の通信性能を向上させるには、送受信機ともに大幅な改修が必要となる。

そこで、地球局の通信性能を柔軟に向上させる手法として、非特許文献１に記載されるように、複数のアンテナを用いて通信性能を向上させるアプローチが報告されている。この技術では、図７(a) のように、変調器７１から出力された変調信号は、信号分配器７２でアンテナ数に応じて複数に分配され、位相設定部７３により受信側の衛星局アンテナ方向において同相となるように位相を制御して送信機７４に入力し、複数のアンテナから送信され、空間合成することで通信性能を向上させている。また、図７(b) のように、通信衛星からの折り返し信号は、複数のアンテナから受信機７６に受信され、振幅・位相設定部７７および信号合成器７８で振幅と位相を調整して合成Ｓ／Ｎが最大となる制御を行って復調器７９に入力される。この技術によると、送受信機の通信性能が同じと仮定した場合、アンテナ数Ｎに対し、ＥＩＲＰはＮ² 倍、Ｇ／ＴはＮ倍となる。

鈴木他、「分散アレーアンテナシステムの固定局適用に関する検討」、電子情報通信学会、衛星通信研究会、SAT2011-36、pp.111-116 菊間、アダプティブアンテナ技術、オーム社，2003年

図７に示す地球局装置は、複数（Ｎ個）の小型アンテナを連携動作させて所定の利得を実現している。アンテナの利得は開口面積に比例するため、Ｎ個の小型アンテナの開口径は、単体アンテナで同じ利得を得る場合の１／√Ｎとなり、同相合成時のアンテナパターンは個々の小型アンテナのアンテナパターンに対して、アレーファクタを乗じたものとなる。

図８は、単独アンテナの放射パターンの解析値を示す。図８(1) は、開口径75ｃｍのアンテナの放射パターンの解析値として、一次ベッセル関数で近似したものである。図８(2) は、開口径54ｃｍのアンテナの放射パターンの解析値を示す。開口径75ｃｍのアンテナの利得と、開口径54ｃｍのアンテナを２つ用いたときの利得は同等である。両者を比較すると開口径が大きいほど、ビーム幅（電力が半分になる角度）が小さくなることが確認できる。

一般的な通信衛星は、赤道の約36,000ｋｍ上空の静止軌道上に経度２度間隔で配置されているため、隣接する他の通信衛星に干渉することなく通信を行うためには、正しく通信衛星を指向する必要がある。図８(1) に示す開口径75ｃｍのアンテナの放射パターンでは、主ビームにおけるエッジ部分に隣接する通信衛星（離角２度）が位置し、ピーク利得に対する相対利得は−30ｄＢ以下となり（図８(1) の矢印）、ほとんど干渉を与えないことが確認できる。一方、図８(2) に示す開口径54ｃｍのアンテナの放射パターンでは、主ビーム正面から離角２度での相対利得は−10.8ｄＢとなり（図８(2) の矢印）、隣接する通信衛星への干渉として無視できない値と言える。すなわち、開口径が小さいアンテナでは、主ビーム内に隣接の通信衛星が位置することになり、干渉を与えることになる。

さらにアンテナのアンテナ開口径が小さくなると、さらにビーム幅が広がることになる。そのため、非特許文献１に記載のように小さい開口径のアンテナを複数用いて所定の利得を実現する場合は、隣接する通信衛星への干渉量が増える可能性が高まることが課題となる。

また、無線通信などで使用されるアレーアンテナでは、干渉を与えないように零点を形成するように振幅と位相を制御する例も報告されている。しかし、アレーアンテナの間隔は固定されているため、ヌル形成時に、主ビームの利得低下を招く可能性がある点が課題として挙げられる。

本発明は、地球局装置の複数のアンテナを連携動作させて通信衛星との間で通信を行う衛星通信システムにおいて、主ビーム内に隣接する通信衛星が存在するような開口径の小さいアンテナを使用した場合でも、隣接する通信衛星への干渉量を低減することができる地球局装置および地球局制装置制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数のアンテナを連携動作させて通信衛星との間で通信を行う地球局装置において、複数のアンテナからの送信信号の位相を通信相手である通信衛星の方向において同相とした場合に、該通信相手である通信衛星に隣接する通信衛星の方向に複数のアンテナの合成放射パターンの零点が一致するように、複数のアンテナの間隔を該アンテナの開口径と送信信号周波数に応じた所定のアンテナ間隔に調整する手段を備える。

第１の発明の地球局装置において、複数のアンテナの間隔が所定のアンテナ間隔に対する誤差を有する場合に、複数のアンテナからの送信信号に対してその所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相補償を行い、隣接する通信衛星の方向に複数のアンテナの合成放射パターンの零点を一致させる手段を備えてもよい。また、到来波方向推定アルゴリズムを適用し、隣接する通信衛星の既知の方向からアンテナ間隔を推定し、所定のアンテナ間隔に対する誤差を算出する手段を備えてもよい。

第２の発明は、複数のアンテナを連携動作させて通信衛星との間で通信を行う地球局装置制御方法において、複数のアンテナからの送信信号の位相を通信相手である通信衛星の方向において同相とした場合に、該通信相手である通信衛星に隣接する通信衛星の方向に複数のアンテナの合成放射パターンの零点が一致するように、複数のアンテナの間隔を該アンテナの開口径と送信信号周波数に応じた所定のアンテナ間隔に調整する処理ステップを有する。

第２の発明の地球局装置制御方法において、複数のアンテナの間隔が所定のアンテナ間隔に対する誤差を有する場合に、複数のアンテナからの送信信号に対してその所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相補償を行い、隣接する通信衛星の方向に複数のアンテナの合成放射パターンの零点を一致させる処理ステップを有してもよい。また、到来波方向推定アルゴリズムを適用し、隣接する通信衛星の既知の方向からアンテナ間隔を推定し、所定のアンテナ間隔に対する誤差を算出する処理ステップを有してもよい。

本発明の地球局装置は、主ビーム内に隣接する通信衛星が存在するような小型アンテナを複数使用しても、アンテナ間隔を適切に調整することで主ビーム内に零点を形成でき、隣接する通信衛星への干渉量を低減することができる。さらに、所定のアンテナ間隔に対する多少の誤差が生じた場合でも、各アンテナの送信信号に対して所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相補償を行うことで、僅かな利得低下で零点を形成し、隣接する通信衛星への干渉量を低減することができる。

したがって、隣接する通信衛星への干渉量が主要因となる送信ＥＩＲＰの制限に対して、本発明を適用することで、より高いＥＩＲＰで信号を送信することができる。

本発明の地球局装置の実施例構成を示す図である。 ２アンテナ（30波長間隔、同相）のアレーファクタおよび合成放射パターンを示す図である。 ２アンテナ（43波長間隔、同相）のアレーファクタおよび合成放射パターンを示す図である。 ２アンテナ（40波長間隔、同相）の合成放射パターンを示す図である。 ２アンテナ（40波長間隔、位相差25度）の合成放射パターンを示す図である。 本発明の地球局装置制御方法の処理手順例を示すフローチャートである。 複数のアンテナを用いる地球局装置の構成例を示す図である。 単独アンテナの放射パターンの解析値を示す図である。

図１は、本発明の地球局装置の実施例構成を示す。本実施例は、開口径の小さい複数のアンテナを連係動作させて通信衛星との間で通信を行う地球局装置において、通信相手である通信衛星に隣接する通信衛星への干渉を抑えるためのアンテナ配置および制御方法を示す。

図１において、変調器１１から出力された変調信号は、信号分配器１２でアンテナ数に応じて複数に分配され、位相制御部１３により受信側の衛星局アンテナ方向において同相または所定の位相差となるように位相を制御して送信機１４に入力し、複数のアンテナ１５から送信される。自局で送信した信号の通信衛星からの折り返し信号は、複数のアンテナ１５を介して受信機１６に受信され、振幅・位相設定部１７および信号合成器１８で振幅と位相を調整して合成Ｓ／Ｎが最大となる制御を行って復調器１９に入力される。

本発明の特徴は、複数のアンテナ１５について、隣接する通信衛星への干渉量が小さくなる所定のアンテナ間隔になるように設置し、さらに、アンテナ間隔を実測またはアンテナ間隔推定部２０を用いて当該アンテナ間隔を推定し、所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じて算出される位相差を位相制御部１３に設定し、各アンテナ１５から送信する信号の位相補償を行うところにある。

ここで、複数のアンテナ１５のアンテナ間隔は、開口径と送信信号周波数に応じて隣接する通信衛星への干渉量が小さくなる値が決まる。例えば、送信信号周波数を 14.25ＧHz（波長は2.10ｃｍ）とし、開口径54ｃｍ（25.7波長）のアンテナを２個重ならないように配置する場合、アンテナ間隔に応じて隣接する通信衛星への干渉量は次のように変化する。

図２(1),(2) は、２アンテナ（30波長間隔、同相）のアレーファクタおよび合成放射パターンの解析値を示す。開口径54ｃｍのアンテナのアンテナ間隔を30波長とした場合、隣接する通信衛星の位置に相当する２度でのアレーファクタはほぼ０ｄＢであり、合成放射パターンにおいてもピークからの利得低下が10.8ｄＢとなる。これは、図８(2) に示す開口径54ｃｍのアンテナを単独で用いた場合と同等である。

図３(1),(2) は、２アンテナ（43波長間隔、同相）のアレーファクタおよび合成放射パターンの解析値を示す。開口径54ｃｍのアンテナのアンテナ間隔を43波長とした場合、２度におけるアレーファクタは−50ｄＢ以下であり、合成放射パターンにおいてもピークからの利得低下が60ｄＢとなり、隣接する通信衛星にほとんど干渉を与えないことが確認できる。

図４は、２アンテナ（40波長間隔、同相）の合成放射パターンをの解析値を示す。開口径54ｃｍのアンテナのアンテナ間隔を40波長とした場合、２度における合成放射パターンにおいて、ピークからの利得低下が20ｄＢとなる。すなわち、アンテナ間隔が40波長の場合は、図２(2) に示す30波長の場合より与干渉量が良好であるものの、図３(2) に示すアンテナ間隔43波長の場合より劣化する。このように、所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じたアレーファクタの変化により与干渉量が変化し、アンテナ間隔の最適値（上記の例では43波長）が存在する。

したがって、開口径54ｃｍのアンテナを２個用いて開口径75ｃｍのアンテナに相当する利得を確保し、かつ隣接する通信衛星に対する干渉を低減するためには、送信信号周波数が 14.25ＧHzの場合にはアンテナ間隔を43波長（90.5ｃｍ）に設定することが望ましい。ただし、本来のアンテナ間隔43波長に対して、図４に示すような３波長(6.3ｃｍ）以下の誤差であれば、以下に示すように、２つのアンテナの送信信号の位相差を調整することにより、隣接する通信衛星に対する干渉を低減することが可能となる。

ここで、隣接する通信衛星方向において零点形成のための位相量を制御し、２つのアンテナの送信信号に25度の位相差を与えた場合、図５に示すように、２度における相対利得は−30ｄＢ以下に改善することができる。この時のピーク利得は、25度の位相誤差の影響により、0.25ｄＢ程度の僅かな劣化で済むため、アンテナ設置時に所定のアンテナ間隔に対する多少の誤差（３波長程度）があっても位相調整で対応することができる。すなわち、上記の例では、厳密にアンテナ間隔を43波長に設定しなくても、許容誤差の範囲であれば送信信号の位相調整という電気的な処理により与干渉抑制ができることが本発明の大きな特徴である。さらに、振幅調整をすることで、調整の自由度を増加させることも可能である。

本発明では、アンテナ間隔が与干渉抑制のために重要である。そのアンテナ間隔を実測する以外の手法として、非特許文献２にあるＭＵＳＩＣアルゴリズム等の到来波推定アルゴリズムを適用することができる。図１に示すアンテナ間隔推定部２０はこの手法を利用する構成である。到来波方向推定アルゴリズムは、本来、アンテナ構成（アンテナ間隔）が既知の状態で、到来波の方向を推定するものであるが、アンテナ間隔推定部２０では隣接衛星の方向が既知であるため、アンテナ間隔を未知数として与え、到来波方向推定アルゴリズムの結果と隣接衛星方向が一致するようにアンテナ間隔を推定する。このようにアンテナ間隔を推定することにより、アンテナ間隔の調整や零点形成のための位相差決定にフィードバックすることができる。

図６は、本発明の地球局制装置制御方法の処理手順例を示す。
図６において、ステップＳ１〜Ｓ４は、隣接する通信衛星への干渉量が小さくなる所定のアンテナ間隔になるようにアンテナを設置する手順を示す。ステップＳ５〜Ｓ８は、所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じて、各アンテナから送信する信号の位相補償を行う手順を示す。

まず、概ね所定のアンテナ間隔になるようにアンテナを設置し（Ｓ１）、アンテナ間隔を実測するか、または通信衛星との間で信号を送受信し（Ｓ２）、到来波方向推定アルゴリズムを適用してアンテナ間隔を推定する（Ｓ３）。このときの所定のアンテナ間隔に対する誤差が許容値以内になるまでアンテナ間隔を調整する（Ｓ４、Ｓ１）。

次に、所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じて、隣接する通信衛星方向において零点形成のために制御する位相量に付与する位相差を算出する（Ｓ５）。その後、アンテナからの送信信号が同相となるように、例えば自局の衛星折り返し信号の受信レベルが最大となるように送信信号の位相制御を行った後（Ｓ６，Ｓ７）、ステップＳ５で算出した所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相差を付与する（Ｓ８）。これにより、メインビームを形成しながら、同時に与干渉量を抑えることが可能となる。

１１ 変調器
１２ 信号分配器
１３ 位相制御部
１４ 送信機
１５ アンテナ
１６ 受信機
１７ 振幅・位相設定部
１８ 信号合成器
１９ 復調器
２０ アンテナ間隔推定部
８１ 変調器
８２ 信号分配器
８３ 位相設定部
８４ 送信機
８６ 受信機
８７ 振幅・位相設定部
８８ 信号合成器
８９ 復調器

Claims (6)

1. 複数のアンテナを連携動作させて通信衛星との間で通信を行う地球局装置において、
   前記複数のアンテナからの送信信号の位相を通信相手である通信衛星の方向において同相とした場合に、該通信相手である通信衛星に隣接する通信衛星の方向に前記複数のアンテナの合成放射パターンの零点が一致するように、前記複数のアンテナの間隔を該アンテナの開口径と送信信号周波数に応じた所定のアンテナ間隔に調整する手段を備えた
   ことを特徴とする地球局装置。
2. 請求項１に記載の地球局装置において、
   前記複数のアンテナの間隔が前記所定のアンテナ間隔に対する誤差を有する場合に、前記複数のアンテナからの送信信号に対してその所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相補償を行い、前記隣接する通信衛星の方向に前記複数のアンテナの合成放射パターンの零点を一致させる手段を備えた
   ことを特徴とする地球局装置。
3. 請求項２に記載の地球局装置において、
   到来波方向推定アルゴリズムを適用し、前記隣接する通信衛星の既知の方向から前記アンテナ間隔を推定し、前記所定のアンテナ間隔に対する誤差を算出する手段を備えた
   ことを特徴とする地球局装置。
4. 複数のアンテナを連携動作させて通信衛星との間で通信を行う地球局装置制御方法において、
   前記複数のアンテナからの送信信号の位相を通信相手である通信衛星の方向において同相とした場合に、該通信相手である通信衛星に隣接する通信衛星の方向に前記複数のアンテナの合成放射パターンの零点が一致するように、前記複数のアンテナの間隔を該アンテナの開口径と送信信号周波数に応じた所定のアンテナ間隔に調整する処理ステップを有する
   ことを特徴とする地球局装置制御方法。
5. 請求項４に記載の地球局装置制御方法において、
   前記複数のアンテナの間隔が前記所定のアンテナ間隔に対する誤差を有する場合に、前記複数のアンテナからの送信信号に対してその所定のアンテナ間隔に対する誤差に応じた位相補償を行い、前記隣接する通信衛星の方向に前記複数のアンテナの合成放射パターンの零点を一致させる処理ステップを有する
   ことを特徴とする地球局装置制御方法。
6. 請求項５に記載の地球局装置制御方法において、
   到来波方向推定アルゴリズムを適用し、前記隣接する通信衛星の既知の方向から前記アンテナ間隔を推定し、前記所定のアンテナ間隔に対する誤差を算出する処理ステップを有する
   ことを特徴とする地球局装置制御方法。

Images