JP6735795B2 - 通信中継装置、通信システム、ドップラーシフト補正方法及びプログラム - Google Patents
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Description
本発明は、通信中継装置、通信システム、ドップラーシフト補正方法及びプログラムに関するものである。
移動通信システムの中継通信局（基地局）のアンテナに対して端末装置（移動局）が相対移動しながら無線信号を送信したり受信したりすると、受信信号の周波数にドップラー現象による周波数シフト（以下「ドップラーシフト」という。）が発生する。このドップラーシフトに伴う受信信号の周波数誤差は通信品質に影響を与えるおそれがある。特許文献１には、基地局からのパイロット信号（参照信号）等の既知信号を用いてドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて受信信号の周波数を補正するユーザ端末（端末装置）が開示されている。
しかしながら、中継通信局が航空機に組み込まれている場合のように通信中継装置に組み込まれた中継通信局がフィーダリンクの中継局（「フィーダ局」、「ゲートウェイ局」ともいう。）に対して高速で相対移動する場合がある。この場合、中継通信局とフィーダリンクの中継局との間の相対速度が大きくなり、ドップラーシフトのシフト量が上記従来の端末装置で補正可能な量よりも大きくなり、フィーダリンクの通信エラーが発生するおそれがある。
本発明の一態様に係る通信システムは、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置を備えた通信システムであって、所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を推定し、前記速度（ベクトル）の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
本発明の他の態様に係る通信システムは、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置を備えた通信システムであって、前記通信中継装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を測定する速度測定部と、前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度（ベクトル）の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
また、前記通信システムにおいて、前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正してもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないようにしてもよい。
また、前記通信システムにおいて、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないようにしてもよい。
本発明の他の態様に係る通信中継装置は、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置であって、所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を推定し、前記速度（ベクトル）の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
本発明の更に他の態様に係る通信中継装置は、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置であって、前記通信中継装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を測定する速度測定部と、前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度（ベクトル）の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備える。
前記通信中継装置において、前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正してもよい。
また、前記通信中継装置において、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないようにしてもよい。
また、前記通信中継装置は、上空を飛行して移動可能な通信中継装置であってもよいし、地上又は海上を移動可能に設けられた通信中継装置であってもよい。
また、前記通信中継装置の中継通信局は、移動通信の基地局に接続されたリピーター親機との間で無線通信を行うリピーター子機であってもよいし、移動通信の基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢなど）であってもよい。
また、前記通信中継装置において、前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないようにしてもよい。
また、前記通信中継装置は、上空を飛行して移動可能な通信中継装置であってもよいし、地上又は海上を移動可能に設けられた通信中継装置であってもよい。
また、前記通信中継装置の中継通信局は、移動通信の基地局に接続されたリピーター親機との間で無線通信を行うリピーター子機であってもよいし、移動通信の基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢなど）であってもよい。
本発明の更に他の態様に係るドップラーシフト補正方法は、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正方法であって、所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得することと、前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を推定することと、前記速度（ベクトル）の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定することと、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正することと、を含む。
本発明の更に他の態様に係るドップラーシフト補正方法は、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるドップラーシフト補正方法であって、前記通信中継装置の位置情報を取得することと、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を測定することと、前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度（ベクトル）の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定することと、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正することと、を含む。
前記ドップラーシフト補正方法において、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定することと、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正することと、を含んでもよい。
また、前記ドップラーシフト補正方法において、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断することと、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行うことと、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないことと、を含んでもよい。
また、前記ドップラーシフト補正方法において、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断することと、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行うことと、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないことと、を含んでもよい。
本発明の更に他の態様に係るプログラムは、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、所定のサンプリング時間間隔で取得した前記通信中継装置の複数の位置情報と、前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度（ベクトル）を推定する工程と、前記速度（ベクトル）の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する工程とを、前記コンピュータに実行させる。
本発明の更に他の態様に係るプログラムは、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度（ベクトル）の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する工程とを、前記コンピュータに実行させる。
本発明の更に他の態様に係るプログラムは、フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度（ベクトル）の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する工程とを、前記コンピュータに実行させる。
前記プログラムにおいて、前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する工程を、前記コンピュータに更に実行させてもよい。
また、前記プログラムにおいて、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定する工程と、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する工程とを、前記コンピュータに更に実行させてもよい。
また、前記プログラムにおいて、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断する工程と、前記判断が肯定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わない工程とを、前記コンピュータに更に実行させてもよい。
また、前記プログラムにおいて、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定する工程と、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する工程とを、前記コンピュータに更に実行させてもよい。
また、前記プログラムにおいて、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断する工程と、前記判断が肯定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わない工程とを、前記コンピュータに更に実行させてもよい。
本発明によれば、移動型の通信中継装置がフィーダリンクの中継局に対して高速で相対移動する場合でも、フィーダリンクにおけるドップラーシフトを精度よく補正してフィーダリンクの通信エラーの発生を防止することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
本実施形態に係る通信システムは、中継通信局１５０が搭載され上空を移動可能な移動型の通信中継装置１５を介して、移動通信網８０側のフィーダリンクＦＬの無線通信と端末装置６１側のサービスリンクＳＬの無線通信とを中継することができる。特に、本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代以降の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
本実施形態に係る通信システムは、中継通信局１５０が搭載され上空を移動可能な移動型の通信中継装置１５を介して、移動通信網８０側のフィーダリンクＦＬの無線通信と端末装置６１側のサービスリンクＳＬの無線通信とを中継することができる。特に、本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代以降の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
なお、図１では、通信中継装置１５が上空を移動可能な飛行体としての航空機である例を示しているが、通信中継装置は、上空を移動するように飛行可能なドローン、ソーラープレーン、飛行船などの他の飛行体であってもよい。飛行体は、自律制御又は外部から制御により、地面、海面、又は川若しくは湖などの水面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域を飛行して位置するように制御されてもよい。また、飛行体の飛行空域は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域であってもよい。更に、飛行体の飛行空域は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。また、通信中継装置は、地上を移動可能な各種車両であってもよいし、海上を移動可能な各種船舶であってもよい。
通信中継装置１５に搭載された中継通信局１５０は、移動局である端末装置６１と無線通信するためのサービスリンクＳＬのビームを地上に向けて形成し、上空に３次元的なセルを形成し、地上又は海上に２次元的なセル１００Ａを形成する。端末装置６１は、地上又は海上においてユーザが使用するユーザ装置であってもよいし、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローンに組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、他の飛行機の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。
本実施形態の中継通信局１５０は、地上（又は海上）側の移動通信網８０の基地局９０に接続されたフィーダ局（リピーター親機）７０と無線通信するリピーター子機である。中継通信局１５０は、地上又は海上に設置されたフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続される。中継通信局１５０とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。また、中継通信局は、地上（又は海上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのフィーダ局（ゲートウェイ）７０と無線通信する基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）であってもよい。
中継通信局１５０は、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部（コントローラ）が制御プログラムを実行することにより、中継通信局での無線通信の信号処理や制御処理を自律的に制御することができる。中継通信局１５０での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた管理装置としての遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、通信中継装置１５は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信したり遠隔制御装置８５に各種情報を送信したりできるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、遠隔制御装置８５から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。また、通信中継装置１５は、自身又は周辺の通信中継装置の上空移動（飛行）や中継通信局での処理に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの情報を、遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。
中継通信局１５０を介した端末装置６１との間のサービスリンクＳＬの無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局１５０を介した端末装置６１との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
本実施形態では、中継通信局１５０においてサービスリンクの信号とフィーダリンクの信号が互いに干渉しないように、サービスリンクＳＬの送受信信号の周波数ｆＳＬ（ｆＳＬｕ、ｆＳＬｄ）とフィーダリンクＦＬの送受信信号の周波数ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正するとの間に周波数差を設けている。
また、本実施形態の通信中継装置（飛行体）１５は、位置情報取得部として、複数のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）衛星７５からの電波（ＧＮＳＳ信号）を受信して通信中継装置１５の位置情報としてＧＮＳＳ位置情報（緯度、経度、高度）を出力する位置情報取得部を備えている。また、本実施形態の通信中継装置（飛行体）１５の一例では、速度測定部として、飛行中の通信中継装置１５の移動方向の速度（大きさと方向）を測定して出力するジャイロセンサ（「ジャイロスコープ」ともいう。）を備えている。速度測定部はイナーシャセンサであってもよい。
図１において、通信中継装置（飛行体）１５は、フィーダ局（リピーター親機）７０と間でフィーダリンクＦＬの無線通信を行うとともにサービスリンクのセル１００Ａを形成しながら、フィーダ局（リピーター親機）７０に近づくように図中の左方向Ｆに飛行している。セル１００Ａに在圏する端末装置６１は、サービスリンクＳＬ、通信中継装置１５の中継通信局１５０、フィーダリンクＦＬ及びフィーダ局（リピーター親機）７０を介して、基地局（ｅＮｏｄｅＢ）９０と通信することができる。
図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、飛行中の通信中継装置（飛行体）１５の中継通信局（リピーター子機）１５０とフィーダ局（リピーター親機）７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信におけるドップラーシフトの一例を示す説明図である。図２（ａ）は通信中継装置１５がフィーダ局７０に近づく方向に飛行しているときの例（図１参照）であり、図２（ｂ）は通信中継装置１５がフィーダ局７０から遠ざかる方向に飛行しているときの例である。
図２（ａ）において、フィーダ局７０から通信中継装置１５の中継通信局１５０に周波数ｆＦＬｄ１の送信信号９１１を送信するフィーダリンクＦＬの下りリンクの無線通信では、ドップラー現象により、中継通信局１５０で受信される受信信号９１１’の周波数が高周波側にドップラーシフトｆｄだけシフトして周波数ｆ’ＦＬｄ１（＝ｆＦＬｄ１＋ｆｄ）になる。一方、通信中継装置１５の中継通信局１５０からフィーダ局７０へのフィーダリンクＦＬの上りリンクの無線通信では、下りリンクの受信信号９１１’の周波数ｆ’ＦＬｄ１（＝ｆＦＬｄ１＋ｆｄ）を基準にして周波数ｆ’ＦＬｕ１（＝ｆＦＬｄ１＋ｆｄ）の送信信号９１２が送信される。そして、ドップラー現象により、フィーダ局７０で受信される受信信号９１２’の周波数が高周波側にドップラーシフトｆｄだけシフトして周波数ｆ’ＦＬｕ１（＝ｆＦＬｕ１＋ｆｄ）になる。その結果、下りリンクの２倍近い周波数シフトがフィーダ局７０で発生しうる。
また、図２（ｂ）において、フィーダ局７０から通信中継装置１５の中継通信局１５０に周波数ｆＦＬｄ２の送信信号９２１を送信するフィーダリンクＦＬの下りリンクの無線通信では、ドップラー現象により、中継通信局１５０で受信される受信信号９２１’の周波数が低周波側にドップラーシフトｆｄだけシフトして周波数ｆ’ＦＬｄ２（＝ｆＦＬｄ２−ｆｄ）になる。一方、通信中継装置１５の中継通信局１５０からフィーダ局７０へのフィーダリンクＦＬの上りリンクの無線通信では、下りリンクの受信信号９２１’の周波数ｆ’ＦＬｄ２（＝ｆＦＬｄ２−ｆｄ）を基準にして周波数ｆ’ＦＬｕ２（＝ｆＦＬｄ２−ｆｄ）の送信信号９２２が送信される。そして、ドップラー現象により、フィーダ局７０で受信される受信信号９２２’の周波数が低周波側にドップラーシフトｆｄだけシフトして周波数ｆ’ＦＬｕ２（＝ｆＦＬｕ２−ｆｄ）になる。その結果、下りリンクの２倍近い周波数シフトがフィーダ局７０で発生しうる。
このようにフィーダ局７０に対する通信中継装置（飛行体）１５の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトにより、通信中継装置１５の中継通信局１５０とフィーダ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信において受信側で正しく信号を復調できず、通信品質の低下が発生するおそれがある。特に、フィーダリンクは高周波数帯の使用が前提なので、ドップラーシフトの影響が大きく、補正が必要である。
上記ドップラーシフトに対して、移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）に基づいて、フィーダリンクの無線通信の周波数のドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて受信信号のドップラーシフトを補正する補正機構がある。しかしながら、通信中継装置１５が例えば航空機の場合のようにフィーダ局７０に対して大きな相対移動速度で移動し、高周波数帯を使用する場合、ドップラーシフトのシフト量が補正可能な上限よりも大きくなり、上記従来の補正機構でドップラーシフトを補正しきれないおそれがある。
そこで、以下に示す一実施形態では、所定のサンプリング時間間隔Δｔで通信中継装置１５の複数の位置情報を取得し、通信中継装置１５の複数の位置情報とサンプリング時間間隔Δｔとに基づいて通信中継装置１５の速度ベクトルｖを推定し、速度ベクトルｖの推定結果と通信中継装置１５の位置情報とに基づいて通信中継装置１５とフィーダ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定している。このドップラーシフトｆｄの推定結果に基づいてフィーダリンクＦＬの無線通信の周波数を補正することにより、フィーダ局７０に対する通信中継装置１５の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制できる。
また、以下に示す他の実施形態では、通信中継装置１５の位置情報を取得するとともに通信中継装置１５の速度ベクトルｖを測定し、通信中継装置１５の位置情報と通信中継装置１５の速度ベクトルｖの測定結果とに基づいて、通信中継装置１５とフィーダ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定している。このドップラーシフトｆｄの推定結果に基づいてフィーダリンクＦＬの無線通信の周波数を補正することにより、通信中継装置１５がフィーダ局７０に対して高速で相対移動し、高周波数帯を使用する場合でも、フィーダ局７０に対する通信中継装置１５の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制できる。
以下、本実施形態において、ドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて、ドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制するようにフィーダリンクＦＬの無線通信の周波数を補正する制御を、「ドップラーシフト補正制御」ともいう。
図３は、本実施形態に係るドップラーシフト補正制御を行う通信中継装置１５の要部構成の一例を示すブロック図である。
図３において、中継通信局１５０は、下りリンク入力部１５１と、周波数変換部１５２と、下りリンク出力部１５３と、上りリンク入力部１５４と、周波数変換部１５５と、上りリンク出力部１５６と、各部を制御する制御部（コントローラ）１５７とを備える。下りリンク入力部１５１、周波数変換部１５２及び下りリンク出力部１５３は、ＬＴＥや第５世代以降の通信方式に準拠した下りリンク信号を中継し、上りリンク入力部１５４、周波数変換部１５５及び上りリンク出力部１５６は、ＬＴＥや第５世代以降の通信方式に準拠した上りリンク信号を中継する。周波数変換部１５２及び周波数変換部１５５は、サービスリンクＳＬの送受信信号の周波数ｆＳＬ（ｆＳＬｕ、ｆＳＬｄ）とフィーダリンクＦＬの送受信信号の周波数ｆＦＬ（ｆＦＬｕ、ｆＦＬｄ）との間の周波数変換を行う。
図３において、中継通信局１５０は、下りリンク入力部１５１と、周波数変換部１５２と、下りリンク出力部１５３と、上りリンク入力部１５４と、周波数変換部１５５と、上りリンク出力部１５６と、各部を制御する制御部（コントローラ）１５７とを備える。下りリンク入力部１５１、周波数変換部１５２及び下りリンク出力部１５３は、ＬＴＥや第５世代以降の通信方式に準拠した下りリンク信号を中継し、上りリンク入力部１５４、周波数変換部１５５及び上りリンク出力部１５６は、ＬＴＥや第５世代以降の通信方式に準拠した上りリンク信号を中継する。周波数変換部１５２及び周波数変換部１５５は、サービスリンクＳＬの送受信信号の周波数ｆＳＬ（ｆＳＬｕ、ｆＳＬｄ）とフィーダリンクＦＬの送受信信号の周波数ｆＦＬ（ｆＦＬｕ、ｆＦＬｄ）との間の周波数変換を行う。
更に、中継通信局１５０は、ドップラーシフトを推定し、その推定結果に基づいて、ドップラーシフトによる通信品質の低下を抑制するようにフィーダリンクＦＬの無線通信の周波数ｆＦＬ（ｆＦＬｕ、ｆＦＬｄ）を補正するドップラーシフト補正制御部１６を備える。ドップラーシフト補正制御部１６は、制御部（コントローラ）１５７と一体的に構成してもよい。
下りリンク入力部１５１、下りリンク出力部１５３、上りリンク入力部１５４及び上りリンク出力部１５６はそれぞれ、所定周波数の中継対象信号を所定のレベルまで増幅するアンプ機能を有する。フィーダリンク側の下りリンク入力部１５１及び上りリンク出力部１５６は、アンテナ共用器（ＤＵＰ）を介してフィーダリンク用アンテナ１５８に接続されている。サービスリンク側の下りリンク出力部１５３及び上りリンク入力部１５４は、アンテナ共用器（ＤＵＰ）を介してサービスリンク用アンテナ１５９に接続されている。
図４は、本実施形態の通信中継装置１５におけるドップラーシフト補正制御部１６の構成の一例を示すブロック図である。
図４において、ドップラーシフト補正制御部１６は、位置情報取得部としてのＧＮＳＳ受信部１６１と、ドップラーシフト推定部１６２と、ドップラーシフト補正部１６３とを有する。ＧＮＳＳ受信部１６１は、複数のＧＮＳＳ衛星７５（図１参照）からの電波（ＧＮＳＳ信号）を受信し、現在時刻情報とともに、通信中継装置１５の位置情報としてＧＮＳＳ位置情報（緯度、経度、高度）を、所定のサンプリング時間間隔Δｔで出力する。
図４において、ドップラーシフト補正制御部１６は、位置情報取得部としてのＧＮＳＳ受信部１６１と、ドップラーシフト推定部１６２と、ドップラーシフト補正部１６３とを有する。ＧＮＳＳ受信部１６１は、複数のＧＮＳＳ衛星７５（図１参照）からの電波（ＧＮＳＳ信号）を受信し、現在時刻情報とともに、通信中継装置１５の位置情報としてＧＮＳＳ位置情報（緯度、経度、高度）を、所定のサンプリング時間間隔Δｔで出力する。
ドップラーシフトの推定精度は、サンプリング時間間隔Δｔが短いほど高くなるが、サンプリング時間間隔Δｔが短くなるとドップラーシフト補正制御部１６における処理の負荷が高くなる。サンプリング時間間隔Δｔは、例えば、０．１［ｓｅｃ］〜１０［ｓｅｃ］の範囲で、通信中継装置（飛行体）１５の速度や飛行軌跡の形状などに基づいて決定してもよい。
ドップラーシフト推定部１６２は、例えば、ＣＰＵやメモリーなどを有するコンピュータで構成され、所定のプログラムが読み込まれて実行されることにより、通信中継装置１５の複数の位置情報（例えば２つの飛行地点）とサンプリング時間間隔Δｔとに基づいて、通信中継装置の速度ｖ（大きさと方向）を推定し、その速度ｖの推定結果と通信中継装置１５の現在位置情報（時刻ｔ０における位置情報）とに基づいて、通信中継装置１５とフィーダ局７０との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトｆｄ（シフト方向（マイナスの低周波方向又はプラスの高周波方向）とシフト量Δｆ（ｔ０））を推定する。
ドップラーシフト補正部１６３は、ドップラーシフトｆｄの推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの無線通信の周波数ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する。図４のドップラーシフト補正部１６３の構成例は、補正電圧発生器１６３１と、ドップラー補正周波数発生器１６３２と、フィーダリンクＦＬの下り及び上りそれぞれについて設けられたミキサー１６３３ｄ，１６３３ｕとを有する。ミキサー１６３３ｄは、下りリンク入力部１５１の受信回路１５１ａと周波数変換部１５２との間の信号経路に設けられ、ミキサー１６３３ｕは、上りリンク出力部１５６の送信回路１５６ａと周波数変換部１５５との間の信号経路に設けられている。
補正電圧発生器１６３１は、ドップラーシフト推定部１６２で推定されたドップラーシフトｆｄの推定結果に応じて補正電圧に変換し、その補正電圧をドップラー補正周波数発生器１６３２に入力する。なお、補正電圧発生器１６３１は、フィーダリンクＦＬの下り及び上りそれぞれについて個別に設けてもよい。
ドップラー補正周波数発生器１６３２は、補正電圧発生器１６３１から入力された補正電圧に応じてドップラーシフトｆｄを補正するための補正周波数ｆｄａの信号を発生する。
ミキサー１６３３ｄは、受信回路１５１ａで受信されたフィーダリンクＦＬの下りの周波数ｆ’ＦＬｄの受信信号Ｓ’ＦＬｄと、ドップラー補正周波数発生器１６３２で発生した補正周波数ｆｄａの信号とを合成し、ドップラーシフトｆｄをキャンセルするように補正した周波数ｆＦＬｄ（＝ｆ’ＦＬｄ−ｆｄ又はｆ’ＦＬｄ＋ｆｄ）の受信信号ＳＦＬｄを、周波数変換部１５２側に流す。
ミキサー１６３３ｕは、周波数変換部１５５から出力されたフィーダリンクＦＬの上りの周波数ｆＦＬｕの送信信号ＳＦＬｕと、ドップラー補正周波数発生器１６３２で発生した補正周波数ｆｄａの信号とを合成し、フィーダ局７０で受信されるときにドップラーシフトｆｄがキャンセルされるように補正した周波数ｆ’ＦＬｕ（＝ｆＦＬｕ−ｆｄ又はｆＦＬｕ＋ｆｄ）の受信信号Ｓ’ＦＬｕを、送信回路１５６ａ側に流す。
図５は、本実施形態の通信中継装置１５のドップラーシフトｆｄの推定方法の一例を示す説明図である。本例は、飛行軌跡１５ｒで飛行している通信中継装置（飛行体）１５の二点のＧＮＳＳ位置情報のみからドップラーシフトｆｄを推定する方法の例である。図５における直交座標系の原点はフィーダ局７０の位置である。任意のサンプリング時間ｔ０における通信中継装置（飛行体）１５の位置ベクトルｒは、時間ｔ０に取得したＧＮＳＳ位置情報（緯度、経度、高度）から計算することができる。
図５において、任意のサンプリング時間ｔ０における通信中継装置１５の速度ベクトルｖを、時間ｔ０の位置情報と一つ前のサンプリング時間（ｔ０−△ｔ）の位置情報から求め、ドップラーシフト（周波数）ｆｄを推定する。時刻ｔ０における速度ベクトルｖ（ｔ０）は、次式（１）のように近似できる。但し、サンプリング時間間隔△ｔは微小時間とした。
時間ｔ０においてドップラー効果に寄与する速度ベクトルｖ（ｔ０）の正射影である速度ノルムｖｓ（ｔ０）は、時間ｔ０における速度ベクトルｖ（ｔ０）と位置ベクトルｒ（ｔ０）とを用いて次式（２）で計算して推定できる。すなわち、位置ベクトルｒ（ｔ０）の絶対値｜ｒ（ｔ０）｜を求め、その値で位置ベクトルｒ（ｔ０）を割って単位ベクトルを得る。図中の角度θを有する速度ベクトルｖ（ｔ０）と上記単位ベクトルとの内積をとれば、時間ｔ０においてドップラー効果に寄与する速度ベクトルｖ（ｔ０）の正射影である速度ノルムｖｓ（ｔ０）が求まる。
上記速度ノルムｖｓ（ｔ０）を用いることにより、時間ｔ０における離散的なドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）は次式（３）で計算して推定できる。ここで、式中のｃは光速［ｍ／ｓ］であり、ｆｃはドップラーシフトが発生する前の周波数である。
図６は、図４のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャートである。
図６において、通信中継装置１５のドップラーシフト補正制御部１６は、ＧＮＳＳ受信部１６１により、所定のサンプリング時間間隔Δｔで通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報を取得する（Ｓ１０１）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、任意のサンプリング時間ｔ０に取得したＧＮＳＳ位置情報と、一つ前のサンプリング時間ｔ０−Δｔに取得したＧＮＳＳ位置情報とに基づいて、時間ｔ０における通信中継装置１５の速度ベクトルｖ（ｔ０）を推定する（Ｓ１０２）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、通信中継装置１５の速度ベクトルｖ（ｔ０）の推定結果と、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報とに基づいて、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）を推定する（Ｓ１０３）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト補正部１６３により、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）の推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの下り及び上りの少なくとも一方の周波数を補正する（Ｓ１０４）。
図６において、通信中継装置１５のドップラーシフト補正制御部１６は、ＧＮＳＳ受信部１６１により、所定のサンプリング時間間隔Δｔで通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報を取得する（Ｓ１０１）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、任意のサンプリング時間ｔ０に取得したＧＮＳＳ位置情報と、一つ前のサンプリング時間ｔ０−Δｔに取得したＧＮＳＳ位置情報とに基づいて、時間ｔ０における通信中継装置１５の速度ベクトルｖ（ｔ０）を推定する（Ｓ１０２）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、通信中継装置１５の速度ベクトルｖ（ｔ０）の推定結果と、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報とに基づいて、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）を推定する（Ｓ１０３）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト補正部１６３により、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）の推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの下り及び上りの少なくとも一方の周波数を補正する（Ｓ１０４）。
以上、図６のドップラーシフト補正制御によれば、通信中継装置（飛行体）１５がフィーダ局７０に対して高速で相対移動して移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）を用いたドップラーシフト補正制御方法では補正が難しい場合でも、フィーダリンクＦＬにおけるドップラーシフトを精度よく補正してフィーダリンクＦＬの通信エラーの発生を防止することができる。
図７は、図４のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の他の例を示すフローチャートである。図７の例は、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正に加えて、通信中継装置１５で中継される移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正を更に実行する例である。なお、図７における処理ステップＳ２０１〜Ｓ２０４は、前述の図６の処理ステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様な処理ステップであるので、それらの説明は省略する。
図７において、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正（Ｓ２０１〜Ｓ２０４）の後、ドップラーシフト補正制御部１６は、例えば３ＧＰＰのＬＴＥ（Long Term Evolution）、ＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄ又は第５世代以降の規格に準拠した既知信号（参照信号又は同期信号）に基づいて、上記第１の補正で補正しきれずに残留している残留ドップラーシフトｆｄ'を推定する（Ｓ２０５）。この残留ドップラーシフトｆｄ'は、例えば、サンプリング時間間隔Δｔの時間誤差、ＧＮＳＳ位置情報の位置誤差、位置情報取得タイミングからドップラーシフト補正タイミングまでの遅延時間などに起因して発生するおそれがある。
第２の補正に用いる既知信号としては、例えば、中継通信局１５０で中継される無線信号の無線フレームの所定時間スロット及びサブキャリアのリソースブロックに配置される既知信号である参照信号又は同期信号（ＰＳＳ、ＳＳＳ）を用いることができる。例えば、同期信号（ＰＳＳ）は、既知の所定のアルゴリズムであるＺａｄｏｆｆ−Ｃｈｕ系列によって生成され、中継通信局１５０によって中継される。中継通信局１５０のドップラーシフト補正制御部１６は、フィーダリンクＦＬで中継される同期信号（ＰＳＳ）のドップラーシフト前の元信号と、フィーダリンクＦＬでドップラーシフトした同期信号（ＰＳＳ）の受信信号とを比較することにより、残留ドップラーシフトｆｄ’を推定することができる。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、残留ドップラーシフトｆｄ’の推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの下り及び上りの少なくとも一方の周波数を更に補正する（Ｓ２０６）。
以上、図７のドップラーシフト補正制御によれば、上記第１の補正においてサンプリング時間間隔Δｔの時間誤差、ＧＮＳＳ位置情報の位置誤差、位置情報取得タイミングからドップラーシフト補正タイミングまでの遅延時間などに起因して補正しきれずに残留ドップラーシフトｆｄ’が発生する場合でも、その残留ドップラーシフトｆｄ’を補正することができ、フィーダリンクＦＬの通信エラーの発生を更に精度よく確実に防止することができる。
図８は、図４のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の更に他の例を示すフローチャートである。図８の例は、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトが所定の閾値ｆｔｈよりも大きい場合のみ上記第１の補正を実行している例である。なお、図８における処理ステップＳ３０１〜Ｓ３０３、Ｓ３０５は、前述の図６の処理ステップＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０４と同様な処理ステップであるので、それらの説明は省略する。また、図８における処理ステップＳ３０６、Ｓ３０７は、前述の図７の処理ステップＳ２０５、Ｓ２０６と同様な処理ステップであるので、それらの説明は省略する。
図８において、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報からドップラーシフトｆｄを推定した後、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフトｆｄの大きさが所定の閾値ｆｔｈよりも大きいか又は閾値ｆｔｈ以上か否かを判断する（Ｓ３０４）。閾値ｆｔｈは、例えば通信中継装置１５で中継される移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正で補正可能なドップラーシフトのシフト量（例えば、３００Ｈｚ〜５００Ｈｚ）に設定される。
上記判断が肯定のとき（Ｓ３０４でＹＥＳ）は、上記通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正を実行し（Ｓ３０５）、その後、上記既知信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正を実行する（Ｓ３０６、Ｓ３０７）。一方、上記判断が否定のとき（Ｓ３０４でＮ０）は、上記通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正を実行せずに、上記既知
信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正のみを実行する（Ｓ３０６、Ｓ３０７）。
信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正のみを実行する（Ｓ３０６、Ｓ３０７）。
特に、図８のドップラーシフト補正制御によれば、通信中継装置（飛行体）１５の速度が低速度である場合などドップラーシフトｆｄが小さい場合、ドップラーシフトを精度よく補正できるとともに、上記通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正を実行しないので中継通信局１５０における処理の負荷を低減することができる。
図９は、本実施形態の通信中継装置１５におけるドップラーシフト補正制御部１６の構成の他の例を示すブロック図である。図９の例は、通信中継装置１５の位置情報を取得するとともに通信中継装置１５の速度ベクトルｖを測定し、通信中継装置１５の位置情報と通信中継装置１５の速度ベクトルの測定結果とに基づいて、通信中継装置１５とフィーダ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定する例である。なお、図９のドップラーシフト補正制御部１６において、ＧＮＳＳ受信部１６１及びドップラーシフト補正部１６３の構成は、前述の図４と同様であるので、説明を省略する。
図９において、ドップラーシフト補正制御部１６は、速度測定部として、飛行中の通信中継装置１５の移動方向の速度ベクトルｖ（大きさと方向）を測定して出力するジャイロセンサ（「ジャイロスコープ」ともいう。）１６４を備えている。速度測定部はイナーシャセンサを用いてもよい。であってもよい。
ドップラーシフト推定部１６２は、任意の時間ｔ０に取得された通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報と、時間ｔ０に測定された通信中継装置１５の速度ベクトルｖの測定結果とに基づいて、時間ｔ０における通信中継装置１５とフィーダ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定する。
時間ｔ０においてドップラー効果に寄与する速度ノルムｖｓ（ｔ０）は、通信中継装置１５の時間ｔ０における速度ベクトルｖ（ｔ０）と位置ベクトルｒ（ｔ０）とを用いて、前述の式（２）で計算して推定できる。また、上記速度ノルムｖｓ（ｔ０）を用いることにより、時間ｔ０における離散的なドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）は前述の式（３）で計算して推定できる。
図１０は、図９のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の一例を示すフローチャートである。
図１０において、通信中継装置１５のドップラーシフト補正制御部１６は、任意のサンプリング時間ｔ０に、ＧＮＳＳ受信部１６１により通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報を取得するとともに、ジャイロセンサ１６４により通信中継装置１５の速度ベクトルｖを測定する（Ｓ４０１）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、サンプリング時間ｔ０におけるＧＮＳＳ位置情報と速度ベクトルｖ（ｔ０）とに基づいて、時間ｔ０における通信中継装置１５のドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）を推定する（Ｓ４０２）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト補正部１６３により、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）の推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの下り及び上りの少なくとも一方の周波数を補正する（Ｓ４０３）。
図１０において、通信中継装置１５のドップラーシフト補正制御部１６は、任意のサンプリング時間ｔ０に、ＧＮＳＳ受信部１６１により通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報を取得するとともに、ジャイロセンサ１６４により通信中継装置１５の速度ベクトルｖを測定する（Ｓ４０１）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト推定部１６２により、サンプリング時間ｔ０におけるＧＮＳＳ位置情報と速度ベクトルｖ（ｔ０）とに基づいて、時間ｔ０における通信中継装置１５のドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）を推定する（Ｓ４０２）。
次に、ドップラーシフト補正制御部１６は、ドップラーシフト補正部１６３により、ドップラーシフトｆｄ＝Δｆ（ｔ０）の推定結果に基づいて、フィーダリンクＦＬの下り及び上りの少なくとも一方の周波数を補正する（Ｓ４０３）。
以上、図１０のドップラーシフト補正制御によれば、通信中継装置（飛行体）１５がフィーダ局７０に対して高速で相対移動して移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）を用いたドップラーシフト補正制御方法では補正が難しい場合でも、フィーダリンクＦＬにおけるドップラーシフトを精度よく補正してフィーダリンクＦＬの通信エラーの発生を防止することができる。
特に、図１０のドップラーシフト補正制御によれば、時間ｔ０における速度ベクトルｖを直接測定しているので、時間ｔ０における速度ベクトルｖの精度を高めることができるとともに、通信中継装置１５の複数のＧＮＳＳ位置情報（例えば２つの飛行地点）とサンプリング時間間隔Δｔとに基づいて速度ベクトルｖを計算する必要がないためドップラーシフト推定部１６２における処理の負荷を低減することができる。
図１１は、図９のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の他の例を示すフローチャートである。図１１の例は、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報及び速度ベクトルから推定したドップラーシフトに基づく第１の補正に加えて、通信中継装置１５で中継される移動通信の既知信号（参照信号又は同期信号）から推定したドップラーシフトに基づく第２の補正を更に実行する例である。なお、図１１における処理ステップＳ５０１〜Ｓ５０３は前述の図１０の処理ステップＳ４０１〜Ｓ４０３と同様な処理ステップである。また、図１１における処理ステップＳ５０４、Ｓ５０５は前述の図７の処理ステップＳ２０５、Ｓ２０６と同様な処理ステップである。
以上、図１１のドップラーシフト補正制御によれば、上記第１の補正においてＧＮＳＳ位置情報の位置誤差、速度ベクトルの測定誤差、位置情報取得・速度ベクトル測定のタイミングからドップラーシフト補正タイミングまでの遅延時間などに起因して補正しきれずに残留ドップラーシフトｆｄ’が発生する場合でも、その残留ドップラーシフトｆｄ’を補正することができ、フィーダリンクＦＬの通信エラーの発生を更に精度よく確実に防止することができる。
図１２は、図９のドップラーシフト補正制御部１６におけるドップラーシフト補正制御の更に他の例を示すフローチャートである。図１２の例は、通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報及び速度ベクトルから推定したドップラーシフトが所定の閾値ｆｔｈよりも大きい場合のみ上記第１の補正を実行している例である。なお、図１２における処理ステップＳ６０１、Ｓ６０２は、前述の図１０の処理ステップＳ４０１、Ｓ４０２と同様な処理ステップである。また、図１２における処理ステップＳ６０３〜Ｓ６０６は、前述の図８の処理ステップＳ３０４〜Ｓ３０７と同様な処理ステップである。
特に、図１２のドップラーシフト補正制御によれば、通信中継装置（飛行体）１５の速度が低速度である場合などドップラーシフトｆｄが小さい場合、ドップラーシフトを精度よく補正できるとともに、上記通信中継装置１５のＧＮＳＳ位置情報及び速度ベクトル測定結果から推定したドップラーシフトに基づく第１の補正を実行しないので中継通信局１５０における処理の負荷を低減することができる。
なお、上記実施形態では、フィーダリンクＦＬにおけるドップラーシフトの推定及び補正を上空を飛行している通信中継装置（飛行体）１５で行っているが、フィーダリンクＦＬにおけるドップラーシフトの推定及び補正の少なくとも一方をフィーダ局７０で行ってもよい。
例えば、ドップラーシフトの推定処理を通信中継装置（飛行体）１５で行い、ドップラーシフトの補正処理をフィーダ局７０で行う場合、通信中継装置（飛行体）１５がフィーダリンクのドップラーシフト（シフト方向及びシフト量）の推定結果に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号及び上りリンク信号の少なくとも一方に適用する周波数オフセット（オフセットの方向及び大きさ）を決定し、その周波数オフセットを含む補正情報を、フィーダ局（リピーター親機）７０に通知するように制御してもよい。補正情報の周波数オフセットは、フィーダリンクで送受信される下りリンク信号及び上りリンク信号それぞれの周波数を、推定したドップラーシフトとは逆方向にシフトさせる補正を行うための情報である。
通信中継装置１５の中継通信局１５０は、補正報情を、上りリンク信号としてフィーダリンク経由でフィーダ局（リピーター親機）７０へ通知してもよいし、専用の別回線(別リンク)を使用して通知してもよい。フィーダ局（リピーター親機）７０は、中継通信局１５０から受信した補正情報に基づいて、フィーダリンクの下りリンク信号の周波数に上記周波数オフセットを適用して補正することができる。また、フィーダ局（リピーター親機）７０は、中継通信局１５０から受信した補正情報に基づいて、フィーダリンクの上りリンク信号の周波数に上記周波数オフセットを適用して補正することができる。
また、上記実施形態では、フィーダリンクＦＬにおけるドップラーシフトの推定及び補正を行っているが、サービスリンクＳＬにおけるドップラーシフトの推定及び補正を更に行ってもよい。例えば、通信中継装置１５の複数の位置情報とサンプリング時間間隔Δｔとに基づいて、通信中継装置１５の中継通信局１５０が形成するセル１００Ａの中心点を基準にした通信中継装置１５の速度ベクトルｖを推定し、速度ベクトルｖの推定結果と通信中継装置１５の位置情報とに基づいて、通信中継装置１５とセル１００Ａとの間のサービスリンクＳＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定する。そして、このドップラーシフトｆｄの推定結果に基づいてサービスリンクＳＬの無線通信の周波数を補正することにより、セル１００Ａに対する通信中継装置１５の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによるサービスリンクの通信品質の低下を抑制できる。
また、通信中継装置１５の位置情報と通信中継装置１５の速度ベクトルｖの測定結果とに基づいて、通信中継装置１５とセル１００Ａとの間のサービスリンクＳＬの無線通信におけるドップラーシフトｆｄを推定する。そして、このドップラーシフトｆｄの推定結果に基づいてサービスリンクＳＬの無線通信の周波数を補正することにより、セル１００Ａに対する通信中継装置１５の相対移動に起因した受信信号のドップラーシフトによるサービスリンクの通信品質の低下を抑制できる。
また、上記実施形態では、上空の通信中継装置１５に設けた中継通信局がリピーター子機である場合について説明したが、上空の通信中継装置１５に設けた中継通信局は移動通信システムの基地局（例えば、３ＧＰＰのＬＴＥ等に準拠したｅＮｏｄｅＢ、３ＧＰＰの第５世代の移動通信規格に準拠したｇＮｏｄｅＢなど）であってもよい。また、通信中継装置１５に設けた中継通信局は、Ｗｉ−Ｆｉ等の無線ＬＡＮのアクセスポイント（ＡＰ）装置であってもよい。
なお、本明細書で説明された処理工程並びに飛行体などの通信中継装置１５の中継通信局、フィーダ局、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
ハードウェア実装については、実体（例えば、中継通信局、フィーダ局、基地局装置、中継通信局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、前記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
１５ ：通信中継装置（飛行体）
６１ ：端末装置
７０ ：フィーダ局（リピーター親機）
７５ ：ＧＮＳＳ衛星
８０ ：移動通信網
８５ ：遠隔制御装置（管制センター）
９０ ：基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
１００Ａ ：セル
１５０ ：中継通信局（リピーター子機）
１６１ ：ＧＮＳＳ受信部
１６２ ：ドップラーシフト推定部
１６３ ：ドップラーシフト補正部
１６４ ：ジャイロセンサ
１６３１ ：補正電圧発生器
１６３２ ：ドップラー補正周波数発生器
１６３３ｄ ：ミキサー
１６３３ｕ ：ミキサー
６１ ：端末装置
７０ ：フィーダ局（リピーター親機）
７５ ：ＧＮＳＳ衛星
８０ ：移動通信網
８５ ：遠隔制御装置（管制センター）
９０ ：基地局（ｅＮｏｄｅＢ）
１００Ａ ：セル
１５０ ：中継通信局（リピーター子機）
１６１ ：ＧＮＳＳ受信部
１６２ ：ドップラーシフト推定部
１６３ ：ドップラーシフト補正部
１６４ ：ジャイロセンサ
１６３１ ：補正電圧発生器
１６３２ ：ドップラー補正周波数発生器
１６３３ｄ ：ミキサー
１６３３ｕ ：ミキサー
Claims (15)
- フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置を備えた通信システムであって、
所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度を推定し、前記速度の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備え、
前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、
前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する、ことを特徴とする通信システム。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置を備えた通信システムであって、
前記通信中継装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記通信中継装置の速度を測定する速度測定部と、
前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備え、
前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、
前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する、ことを特徴とする通信システム。 - 請求項１又は２の通信システムにおいて、
前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないことを特徴とする通信システム。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置であって、
所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度を推定し、前記速度の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備え、
前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、
前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する、ことを特徴とする通信中継装置。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置であって、
前記通信中継装置の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記通信中継装置の速度を測定する速度測定部と、
前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する推定部と、
前記推定部のドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する補正部と、を備え、
前記推定部は、前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定し、
前記補正部は、前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する、ことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項４又は５の通信中継装置において、
前記補正部は、前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断し、前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないことを特徴とする通信中継装置。 - 請求項４乃至６のいずれかの通信中継装置において、
上空を飛行して移動可能であることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項１乃至７のいずれかの通信中継装置において、
前記中継通信局は、移動通信の基地局に接続されたリピーター親機との間で無線通信を行うリピーター子機であることを特徴とする通信中継装置。 - 請求項１乃至８のいずれかの通信中継装置において、
前記中継通信局は、移動通信の基地局であることを特徴とする通信中継装置。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正方法であって、
所定のサンプリング時間間隔で前記通信中継装置の複数の位置情報を取得することと、
前記通信中継装置の複数の位置情報と前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度を推定することと、
前記速度の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定することと、
前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正することと、
前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定することと、
前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正することと、を含むことを特徴とするドップラーシフト補正方法。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるドップラーシフト補正方法であって、
前記通信中継装置の位置情報を取得することと、
前記通信中継装置の速度を測定することと、
前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定することと、
前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正することと、
前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定することと、
前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正することと、を含むことを特徴とするドップラーシフト補正方法。 - 請求項１０又は１１のドップラーシフト補正方法において、
前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断することと、
前記判断が肯定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行うことと、
前記判断が否定のときに前記フィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わないことと、を含むことを特徴とするドップラーシフト補正方法。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
所定のサンプリング時間間隔で取得した前記通信中継装置の複数の位置情報と、前記サンプリング時間間隔とに基づいて、前記通信中継装置の速度を推定する工程と、
前記速度の推定結果と前記通信中継装置の位置情報とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する工程と、
前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する工程と、
前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定する工程と、
前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する工程とを、前記コンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 - フィーダリンクの無線通信とサービスリンクの無線通信とを中継する中継通信局を有する移動型の通信中継装置におけるフィーダリンクのドップラーシフト補正をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記通信中継装置の位置情報と前記通信中継装置の速度の測定結果とに基づいて、前記通信中継装置の中継通信局とフィーダリンクの中継局との間のフィーダリンクの無線通信におけるドップラーシフトを推定する工程と、
前記ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記フィーダリンクの無線通信の周波数を補正する工程と、
前記中継通信局で中継される移動通信の既知信号に基づいて、前記補正後の周波数に残留している残留ドップラーシフトを推定する工程と、
前記残留ドップラーシフトの推定結果に基づいて、前記補正後の周波数を更に補正する工程とを、前記コンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 - 請求項１３又は１４のプログラムにおいて、
前記ドップラーシフトの推定結果が所定の閾値よりも大きいか否か又は前記閾値以上か否かを判断する工程と、
前記判断が肯定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行い、前記判断が否定のときにフィーダリンクの無線通信の周波数の補正を行わない工程とを、前記コンピュータに更に実行させることを特徴とするプログラム。
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| JP2018158178A JP6735795B2 (ja) | 2018-08-27 | 2018-08-27 | 通信中継装置、通信システム、ドップラーシフト補正方法及びプログラム |
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| JP2018158178A JP6735795B2 (ja) | 2018-08-27 | 2018-08-27 | 通信中継装置、通信システム、ドップラーシフト補正方法及びプログラム |
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