JP6789445B2 - 中継局、制御局、データ伝送システム、データ伝送方法、制御回路およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、送信局から受信局へのデータを中継する中継局、該中継局を制御する制御局、データ伝送システムおよびデータ伝送方法に関する。

セルごとに基地局を設けて各基地局がセル内の携帯電話などの通信機能を有する端末と通信するセルラシステムは、ユーザ数の増大およびコンテンツの高度化に伴い、要求される伝送容量が増大している。伝送容量を増大させるための１つの方法として、セルラシステムでは、セル間の干渉が大きい隣り合う基地局同士では互いに異なる周波数を利用し、セル間の干渉が十分に小さい基地局間では同一周波数を利用する周波数繰り返しによって利用可能総帯域を増大させる方法が用いられる。また、近年のセルラシステムでは、従来の周波数に加えて、ミリ波などの従来よりも高い周波数帯を利用することで、周波数の広帯域化が検討されている。また、セルラシステムでは、狭域のマルチビームを用いてセルを構成して、信号対雑音比を向上させて多値化伝送によって通信することが検討されている。また、宇宙空間で動作する人工衛星等を用いて、地球上の船舶または航空機などに備わる端末と２点間で通信を行う衛星通信システムでは、伝送容量の増大化を実現するため、人工衛星がビーム間の干渉が十分に小さい地域で同一の周波数または同一の偏波を再利用してデータ伝送を行うマルチビーム化が用いられている。

セルラシステムおよび衛星通信システムでは、マルチビーム化により周波数繰り返しの効果が増大し、データの伝送容量の増大化が期待できる。一方、マルチビーム化すると、基地局、人工衛星および中継局などの送信機は、端末に照射するマルチビームを同時に形成する必要があるため、マルチビームの送信にかかる周波数変換器および増幅器の個数が増大し、重量、消費電力、およびコストが増大するという問題がある。非特許文献１は、複数の送信先のビームを時間領域で切り替えるビームホッピング方式を開示する。ビームホッピング方式は、カバレッジエリアを覆う複数のビームを用いてクラスタと呼ばれるグループを作成し、クラスタ内で送信先のビームを時間領域で切り替える、いわゆる時分割照射を行う方式である。ビームホッピング方式における時分割照射の制御の周期は、フレーム単位で行う。また、ビームホッピング方式では、フレームを分割して生成されるスロット毎に照射するビームを変更する。つまり、ビームホッピング方式を用いることで、制御周期において、１クラスタが１フレーム分のビームを照射するため、送信機が端末に同時に照射するビームの数は、クラスタの数と同じ数となり、全てのビームを端末に同時照射する場合と比較して、ビームの送信にかかる周波数変換器および増幅器の個数の増大を抑制することができる。

Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ （ＤＶＢ） Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ， Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ， Ｎｅｗｓ Ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ； Ｐａｒｔ ２ − Ｓ２ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ （ＤＶＢ−Ｓ２Ｘ）

しかしながら、非特許文献１に記載のビームホッピング方式は、クラスタ内において時間領域で切り替えて照射することから、クラスタ単位の伝送容量の最大値は、１ビームを常時照射した場合の伝送容量となる。送信機のカバレッジエリア内で端末が偏在している場合、クラスタ間で端末が要求する要求トラヒック量に偏りが生じる場合がある。この場合、要求トラヒック量がクラスタあたりの最大伝送容量を超過するクラスタではスロットの割当不足が生じる。一方、要求トラヒック量が最大伝送容量を下回るクラスタでは割当スロットの余剰が生じる。このため、割当スロットの余剰が生じているクラスタが存在するにもかかわらず、最大伝送容量を超過する分を、別の制御周期でビームを照射することとなり、データの送信にかかる時間効率、および周波数の利用効率が低下するという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、データの送信にかかる時間効率の低下および周波数の利用効率の低下を抑制する中継局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、本発明にかかる中継局は、複数のビームによりそれぞれ複数の照射範囲を照射可能であり、照射範囲のうちの２つ以上でクラスタを形成し、クラスタ単位で照射範囲に割当てられたスロットを示す割当情報に基づいてビームを照射するビーム形成部を備え、１つの照射範囲は複数のクラスタに属することを特徴とする。

本発明にかかる中継局は、データの送信にかかる時間効率の低下および周波数の利用効率の低下を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるデータ伝送システムの構成の例を示す図 実施の形態１にかかるフレームを示す図 実施の形態１にかかる中継局の機能ブロックを示す図 実施の形態１にかかる制御部の機能ブロックを示す図 実施の形態１にかかる制御局の機能ブロックを示す図 実施の形態１にかかる制御回路を示す図 実施の形態１にかかる中継局がカバーする照射範囲の配置例を示す図 実施の形態１にかかる照射範囲とクラスタとの関係の例を示す図 実施の形態１にかかる端末の位置およびビームパタンの例を示す図 実施の形態１にかかるスロット割り当ての例を示す図 実施の形態１にかかる制御局の制御例を示すフローチャート 実施の形態２にかかるクラスタと照射範囲との位置関係の例を示す図 実施の形態２にかかる端末の位置およびビームパタンの例を示す図 実施の形態２にかかる端末の位置およびビームパタンの別の例を示す図 実施の形態２にかかる制御局の制御例を示すフローチャート 実施の形態２にかかるビーム位置の例を示す図 実施の形態２にかかるビーム位置の別の例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる中継局、制御局、データ伝送システムおよびデータ伝送方法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、実施の形態１にかかるデータ伝送システムの構成の例を示す図である。データ伝送システム１０は、例えば、セルラシステムまたは衛星通信システムである。データ伝送システム１０は、中継局１０１と、ゲートウェイ１０２−１と、ゲートウェイ１０２−２と、制御局１０３とを備える。図１において点線は、無線で通信していることを示し、実線は有線で通信していることを示す。ゲートウェイ１０２−１およびゲートウェイ１０２−２は、公衆網１０４と接続し、データ伝送システム１０の外部の図示しない他の通信システムのサービスを、インターネットおよび中継局１０１を介して端末１０５に提供する。なお、他の通信システムのサービスを利用せず、データ伝送システム１０の内部で通信が完結する場合、ゲートウェイ１０２−１およびゲートウェイ１０２−２は、公衆網１０４と接続しなくてもよい。また、図１では、ゲートウェイは２台設置されているが、２台に限定されず、冗長化のために複数台設置されてもよい。ゲートウェイ１０２−１およびゲートウェイ１０２−２のそれぞれを区別せずに示すときは、ゲートウェイ１０２と称する。制御局１０３は、中継局１０１が行うビームホッピングの動作を制御する。

照射範囲２０１−１〜２０１−ｐおよび照射範囲２０２−１〜２０２−ｑは、中継局１０１が照射可能な各ビームの地表における照射範囲を示している。中継局１０１は、照射範囲２０１−１〜２０１−ｐで構成されるクラスタ２１０−１を形成する。同様に、中継局１０１は、照射範囲２０２−１〜２０２−ｑで構成されるクラスタ２１０−２を形成する。照射範囲２０１−１〜２０１−ｐおよび照射範囲２０２−１〜２０２−ｑのそれぞれを区別せずに示すときは、照射範囲２００と称する。なお、照射範囲２００の数は照射範囲２０１−１〜２０１−ｐおよび照射範囲２０２−１〜２０２−ｑに記載される数に限定されない。また、本実施の形態では、クラスタ２１０−１およびクラスタ２１０−２を記載しているが、クラスタの数は２つに限定されない。クラスタ２１０−１およびクラスタ２１０−２のそれぞれを区別せずに示すときは、クラスタ２１０と称する。

端末１０５−１は、照射範囲２０１−１に在圏し、中継局１０１は、照射範囲２０１−１へビームを照射して端末１０５−１にデータを送信する。同様に、端末１０５−ｒは、照射範囲２０１−ｐに在圏し、中継局１０１は、照射範囲２０１−ｐへビームを照射して端末１０５−ｒにデータを送信する。端末１０５−１〜１０５−ｒのそれぞれを区別せずに示すときは、端末１０５と称する。なお、図１では照射範囲２０１−１に端末１０５−１のみが配置されているが、照射範囲２０１−１に複数の端末１０５が配置されていてもよい。なお、データ伝送システム１０がセルラシステムである場合、中継局１０１および制御局１０３を合わせた装置が基地局となる。また、データ伝送システム１０が衛星通信システムである場合、中継局１０１は、人工衛星に搭載される中継器となる。

図２は、実施の形態１にかかるフレームを示す図である。本実施の形態では、１フレームあたりのスロット数を１０個とする。なお、本実施の形態では１フレームのスロット数は１０個に限定されない。ビームホッピング方式におけるクラスタ２１０毎の時分割照射の制御周期は、図２に示すフレーム単位で行う。また、中継局１０１は、フレームを分割するスロット毎に照射する照射範囲２００を変更する。

本実施の形態における中継局１０１および制御局１０３の動作について説明する。なお、ゲートウェイ１０２および端末１０５は、本実施の形態において具体的な特徴は有さず、本技術領域に従事する者であれば類推可能なものであるため詳細な構成の説明は省略する。図３は、実施の形態１にかかる中継局１０１の機能ブロックを示す図である。中継局１０１は、受信部１１０と、交換部１２０と、ビーム形成部１３０と、送信部１４０と、制御部１５０とを備える。受信部１１０は、ゲートウェイ１０２が送信したデータを受信する。交換部１２０は、フレームを分割したスロットを照射範囲２００毎に振り分ける。ビーム形成部１３０は、照射範囲２００およびクラスタ２１０を形成する。送信部１４０は、端末１０５にデータを送信する。これらの機能部の詳細な動作は後述する。

図４は、実施の形態１にかかる制御部１５０の機能ブロックを示す図である。制御部１５０は、第１の送受信部１５１と、第１の蓄積部１５２と、第１の時刻管理部１５３と、交換制御部１５４と、ビーム形成制御部１５５と、を備える。第１の送受信部１５１は、制御局１０３が送信するデータを受信し、第１の蓄積部１５２に送信する。第１の蓄積部１５２は、第１の送受信部１５１が送信したデータを蓄積する。第１の時刻管理部１５３は、制御局１０３と時刻の同期を行う。交換制御部１５４は、交換部１２０がスロットを照射範囲２００へ振り分けるために必要なデータを生成する。ビーム形成制御部１５５は、ビーム形成部１３０が照射範囲２００を形成するために必要なデータを生成する。これらの機能部の詳細な動作は後述する。

図５は、実施の形態１にかかる制御局１０３の機能ブロックを示す図である。制御局１０３は、第２の送受信部１６１と、第２の蓄積部１６２と、第２の時刻管理部１６３と、回線品質監視部１６４と、トラヒック監視部１６５と、リソース制御部１６６と、クラスタ制御部１６７とを備える。第２の送受信部１６１は、ゲートウェイ１０２からデータを受信し、受信したデータを第２の蓄積部１６２に送信する。第２の蓄積部１６２は、第２の送受信部１６１が送信したデータを蓄積する。また、第２の送受信部１６１は中継局１０１を制御するために必要なデータを中継局１０１に送信する。第２の送受信部１６１は送受信部とも呼ばれる。第２の時刻管理部１６３は、中継局１０１と時刻の同期を行う。回線品質監視部１６４は、端末１０５が通信する回線の回線品質を監視する。トラヒック監視部１６５は、端末１０５が要求するトラヒック量を監視する。リソース制御部１６６は、照射範囲２００毎の要求スロット数を集計する。クラスタ制御部１６７は、クラスタ２１０を構成する照射範囲２００の組み合わせを変更する。これらの機能部の詳細な動作は後述する。

実施の形態１にかかる受信部１１０、交換部１２０、ビーム形成部１３０、送信部１４０、制御部１５０、第２の送受信部１６１、第２の蓄積部１６２、第２の時刻管理部１６３、回線品質監視部１６４、トラヒック監視部１６５、リソース制御部１６６、およびクラスタ制御部１６７は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。本処理回路がＣＰＵを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図６に示す構成の制御回路３００となる。

図６に示すように、制御回路３００は、ＣＰＵであるプロセッサ３００ａと、メモリ３００ｂとを備える。図６に示す制御回路３００により実現される場合、プロセッサ３００ａがメモリ３００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ３００ｂは、プロセッサ３００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

中継局１０１および制御局１０３の動作について詳細に説明する。図７は、実施の形態１にかかる中継局１０１がカバーする照射範囲２００の配置例を示す図である。図７は、縦軸をｘ方向、横軸をｙ方向とする表である。照射範囲２００は、インデックスが割り振られる。例えば、図７において最も左下の照射範囲には４−１のインデックスが割り振られる。また、照射範囲２００のインデックスとして割り振られる左の値をｘ、右の値をｙと呼ぶ。ｘの値はｘ方向に進むに従って小さくなり、ｙの値はｙ方向に進むに従って大きくなる。例えば、図７において最も左下に位置する照射範囲のｘの値は４であり、ｙの値は１である。

照射範囲２００を用いてクラスタ２１０を形成することで、データ伝送システム１０のカバレッジエリアは面的、つまり２つの独立した方向の広がりに配置される。ここで、隣接する照射範囲２００に同一時間、同一周波数、または同一偏波でビームを照射するとビームが互いに干渉し合う。このため、リソース制御部１６６は、照射範囲２００に付与したインデックスのうち、ｘの値が奇数の照射範囲２００に照射されるビームの偏波と、ｘの値が偶数の照射範囲２００に照射されるビームの偏波が直交するようにビームを割り当てる。なお、偏波は直線偏波および円偏波を含むものとする。または、リソース制御部１６６は、ｘの値が奇数の照射範囲２００とｘの値が偶数の照射範囲２００とで異なる周波数のビームを割り当てる。このようにｘの値に応じて、照射範囲２００に照射されるビームに異なる偏波または異なる周波数を割り当てることで、同一周波数または同一偏波となるビームの組み合わせはｙ方向のみとなる。このため、ビームホッピング方式を用いて時分割照射することで複数のビームの干渉が一定値以下になるような照射位置をｙ方向のみの一直線、つまり１次元的に決定することができる。また、ビーム形成部１３０は、リソース制御部１６６が割り当てた偏波および周波数のビームを端末１０５に照射する。

図８は、実施の形態１にかかる照射範囲２００とクラスタ２１０との関係の例を示す図である。本実施の形態では、１つの照射範囲２００が複数のクラスタ２１０に属する場合がある。図８では、照射範囲２００をそれぞれ照射範囲Ｂ１〜Ｂ１６として示す。また、図８では、クラスタＣ１〜Ｃ３が存在し、クラスタ２１０は、それぞれ８つの照射範囲２００を含むことによって形成されている。照射範囲Ｂ１〜Ｂ８はクラスタＣ１に属する。照射範囲Ｂ５〜Ｂ１２はクラスタＣ２に属する。照射範囲Ｂ９〜Ｂ１６はクラスタＣ３に属する。つまり、照射範囲Ｂ５〜Ｂ８は、クラスタＣ１およびクラスタＣ２の２つのクラスタに属している。また、照射範囲Ｂ９〜Ｂ１２は、クラスタＣ２およびクラスタＣ３の２つのクラスタに属している。なお、図８で示したクラスタ２１０の構成は、クラスタ２１０に属する照射範囲２００の数、またはクラスタ２１０間で重複する照射範囲２００の数が全て同じになっているが、一例であり、クラスタ２１０に属する照射範囲２００の数、またはクラスタ２１０間で重複する照射範囲２００の数はクラスタ２１０毎に異なる値であってもよい。また、距離ｗ１は、照射範囲２００間の距離を示す。本実施の形態では、照射範囲２００間の距離ｗ１は照射範囲２００が互いにオーバラップしないような固定的な距離となる。なお、図８では、照射範囲Ｂ１〜Ｂ１６を一直線に配置した場合を示しているが、これに限らず、照射範囲Ｂ１〜Ｂ１６を曲線的な軌道に沿うように直列に配置してクラスタ２１０を形成しても構わない。

図９は、実施の形態１にかかる端末１０５の位置およびビームパタンの例を示す図である。図９において、位置３０１および位置３０２は、端末１０５の位置を示す。ビームパタン３０３およびビームパタン３０４は、中継局１０１が送信するビームのビームパタンを示す。また、座標３０５および座標３０６は、照射範囲２００の中心座標を示す。本実施の形態では、中継局１０１が照射するビームの位置は、照射範囲２００の中心座標に限定する。

図１０は、実施の形態１にかかるスロット割り当ての例を示す図である。図１０は、図８に示すクラスタ２１０の構成におけるスロット割り当ての例である。図１０は、ビーム番号と、ビーム毎の要求スロット数と、クラスタ番号と、クラスタ毎の要求スロット数と、ビーム毎の割り当てスロット数とを含む。１フレームあたりのスロット数は図２に記載されるフレームと同様に１０とする。ビーム番号は、図８に示される照射範囲Ｂ１〜Ｂ１６と同様の番号である。クラスタ番号は、図８に示されるクラスタＣ１〜Ｃ３の番号である。また、１クラスタには、制御周期あたりに図２に示される１フレーム、つまり１０スロットが割り当てられるものとする。ビーム毎の要求スロット数は、照射範囲２００に在圏する端末１０５が要求するスロットの数を示す。例えば、照射範囲Ｂ１に在圏する端末１０５が要求するスロット数は１であり、照射範囲Ｂ５に在圏する端末１０５が要求するスロット数は５である。端末１０５が要求するスロットの数は、端末１０５が要求するトラヒック量を基に算出される。クラスタ毎の要求スロット数は、クラスタ２１０毎の照射範囲２００の要求スロット数の総和を示す。ビーム毎の割り当てスロット数は、ビーム毎の要求スロット数に対し制御局１０３が割り当てたスロット数を示す。図１０に示すようにクラスタＣ２が、クラスタＣ１またはクラスタＣ３に属する照射範囲Ｂ５〜Ｂ１２を含むことで、クラスタＣ１の要求スロット数が１０よりも多い場合、クラスタＣ２に属する照射範囲Ｂ５〜Ｂ８にクラスタＣ１が不足する数分のスロットを割り当てることで、クラスタＣ１が不足する割り当てスロット数を充足することができる。

図１１は、実施の形態１にかかる制御局１０３の制御例を示すフローチャートである。制御局１０３は、図１１に示すフローチャートによる制御をスロット毎に行うことにより、照射範囲２００に割り当てるスロットを決定し、中継局１０１に通知する。なお、制御局１０３は、フレーム毎に図１１に示すフローチャートによる制御を行い、スロットの割り当てを決定し、中継局１０１に通知してもよい。

第２の送受信部１６１は、ゲートウェイ１０２から制御情報を受信し、第２の蓄積部１６２に制御情報を蓄積する。制御情報とは、照射範囲２００の要求スロット数を算出するために必要な情報であり、具体的には、端末１０５が要求しているトラヒック量と、端末１０５がゲートウェイ１０２と中継局１０１とを介して通信する際の回線品質とを含む。トラヒック監視部１６５では、第２の蓄積部１６２が蓄積した端末１０５が要求する要求トラヒック量を定常的に集計し、集計した要求トラヒック量の平均化などの処理を行う。回線品質監視部１６４は、第２の蓄積部１６２が蓄積した端末１０５の回線品質を定常的に集計し、集計した回線品質の平均化などの処理を行う。リソース制御部１６６は、要求トラヒック量と回線品質とに基づいて、端末１０５のデータ伝送に要するスロット数を計算するとともに、各照射範囲２００に在圏する端末１０５の所要スロット数を合計することで、照射範囲２００毎の要求スロット数を算出する（ステップＳ１）。

リソース制御部１６６は、照射範囲２００毎の要求スロット数をクラスタ２１０毎に合算することでクラスタ２１０毎の要求スロット数を算出する（ステップＳ２）。ここで、クラスタ２１０を構成する照射範囲２００の組み合わせは、図８に示されるように予め決められたルールに従う。また、クラスタ制御部１６７によって、クラスタ２１０を構成する照射範囲２００の組み合わせを変更してもよい。例えば、データ伝送システム１０が現在運用しているカバレッジエリアを変更するとき、ビームを照射する位置が変わる可能性があるため、ビームを照射する位置の変更に併せてクラスタ２１０の構成を変更する。クラスタ２１０毎の要求スロット数を算出すると、リソース制御部１６６は、スロット割当判定を行うためのクラスタ２１０の優先順位を決定する（ステップＳ３）。ここで、スロット割当判定とはスロットの割当候補となる照射範囲２００へビームを照射してもよいか否かを判定することである。優先順位の決定方法は、例えば、クラスタ２１０毎の要求スロット数が多い順にクラスタ２１０をソートし、ソート結果を、スロット割当判定を行うための優先順位とする例が挙げられる。クラスタ２１０の要求スロット数が多い順を優先順位とすることで、クラスタ２１０でスロットの割当不足が生じる確率を低減することができる。リソース制御部１６６は、クラスタ２１０に属する照射範囲２００の優先順位を決定する（ステップＳ４）。例えば、リソース制御部１６６は、照射範囲２００の要求スロット数が多い順にソートし、ソート結果を、スロット割当判定を行うための優先順位とする例が挙げられる。照射範囲２００の要求スロット数が多い順を優先順位すれば照射範囲２００でスロットの割当不足が生じる確率を低減することができる。つまり、クラスタ２１０毎、照射範囲２００毎にスロット割当判定を行うための優先順位が決定される。

クラスタ２１０毎および照射範囲２００毎の優先順位の決定後、リソース制御部１６６は、優先順位の高い照射範囲２００に対してスロット割当判定を行う（ステップＳ５）。ある照射範囲２００の隣接で、異なるクラスタ２１０に属する別の照射範囲２００が同一スロットに既に割り当てられている場合は、同一時間および同一周波数で隣接する照射範囲２００へビームを照射することになり、照射範囲２００間でビームの干渉が大きくなる。このため、リソース制御部１６６は、この照射範囲２００にスロットを割り当てることを不可とする。この場合、次に優先度の高い照射範囲２００を割当候補とし、スロット割当判定を行う。また、割当可能となったら次に優先度の高いクラスタ２１０に属する照射範囲２００に対して割当判定を行う。全てのクラスタ２１０に対して割当判定を行った場合、処理を終了する。スロット割当判定によって決定された、照射範囲２００に割り当てるスロットの情報をスロット割当情報と呼ぶ。

各スロットに割り当てる照射範囲２００の決定後、制御局１０３は、中継局１０１に対してスロット割当情報を含む制御情報を通知する。制御部１５０は、第１の送受信部１５１で制御情報を受信すると、第１の蓄積部１５２に制御情報を蓄積する。また、交換制御部１５４は、スロット割当情報に従い、交換部１２０がビームを照射する照射範囲２００へ振り分けるために用いる情報を生成し、交換部１２０に送信する。また、ビーム形成制御部１５５は、ビーム形成部１３０がビームを形成するために用いる情報を生成し、この情報をビーム形成部１３０に通知する。ここで、交換制御部１５４が生成する情報は、交換部１２０がチャネライザであれば、チャネライザのスイッチ部を制御するスイッチ情報とする。また、ビーム形成制御部１５５が生成する情報は、ビームを形成する手段に応じて決めればよく、ビームを形成する手段は、例えば、ビームを単一のフィードで形成する手段、ビームを複数のフィードで形成する手段、アナログフェーズドアレーを用いる手段、またはデジタルビームフォーミングを用いる手段が挙げられる。

なお、本実施の形態ではビームを照射する照射範囲２００をスロット単位で切り替えることからゲートウェイ１０２、中継局１０１、および端末１０５は時間を制御局１０３と同期して、制御局１０３が決定したスロットの割当情報に従ってデータ伝送を行う必要がある。このため、制御部１５０は第１の時刻管理部１５３を備え、制御局１０３は第２の時刻管理部１６３を備える。時刻管理の方法は、例えば、制御局１０３、中継局１０１、ゲートウェイ１０２および端末１０５がそれぞれ、衛星測位システムの信号を受信して時刻を管理してもよいし、制御局１０３と中継局１０１が時刻の同期をとり、中継局１０１が時刻情報を含む報知信号をゲートウェイ１０２および端末１０５に送信することで時刻を同期してもよい。

以上説明したように、本実施の形態にかかるデータ伝送システム１０は、端末１０５が中継局１０１を介してデータを伝送する過程において、１つの照射範囲２００が複数のクラスタ２１０に属するようにし、制御局１０３が各スロットで照射される照射範囲２００をクラスタ２１０毎に決定し、任意の照射範囲２００へ複数のクラスタ２１０からデータを伝送することを可能にした。したがって、クラスタ２１０単位でビームを照射しつつ、スロット数が不足しているクラスタ２１０がある場合に、複数のクラスタ２１０に属する照射範囲２００に不足分のスロットを割り当てることができる。このため、本実施の形態では、中継局１０１のビームの送信にかかる周波数変換器および増幅器の個数の増大を抑制しつつ、各照射範囲２００に対し所望のスロット数を割り当てることができる。このため、中継局１０１のデータの送信にかかる時間効率の低下および周波数の利用効率の低下を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、１つの照射範囲２００が複数のクラスタ２１０に属し、制御局１０３は、各スロットで照射される照射範囲２００をクラスタ２１０毎に決定し、任意の照射範囲２００へ複数のクラスタ２１０からデータを伝送することを可能にした。しかし、実施の形態１で示した中継局１０１が照射範囲２００に照射する位置は、複数のビームがオーバラップしないように固定配置から選択するため、ビームを照射する位置は限定されている。このため、端末１０５が一方の照射範囲２００と他方の照射範囲２００との境界に在圏する場合は、中継局１０１が照射するビームの信号対干渉雑音電力比（ＳＩＮＲ：Signal to Interference and Noise power Ratio）は端末１０５が照射範囲２００の中心に在圏する場合よりも低下する。このため、中継局１０１が信号を変調する時に、符号化率を下げるような回線品質の低い伝送方式を用いる必要が生じ、周波数利用効率の低下を招く。本実施の形態では、ビームを照射する座標を細分化し、端末１０５の位置などの情報をもとにシステムスループットが最大化するようにビームを照射する中心座標を決定することで周波数利用効率を改善する。

実施の形態２にかかるデータ伝送システム１０ａは、データ伝送システム１０の制御局１０３の代わりに制御局１０３ａを備える。また、制御局１０３ａはリソース制御部１６６の代わりにリソース制御部１６６ａを備える。その他の構成はデータ伝送システム１０と同様である。なお、本実施の形態において実施の形態１と同一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。また、データ伝送システム１０ａの図示は省略する。本実施の形態では、リソース制御部１６６ａが各スロットでビームの照射位置を決定する手順が実施の形態１と異なる。

図１２は、実施の形態２にかかるクラスタ２１０と照射範囲２００との位置関係の例を示す図である。本実施の形態では、図１２に示すように照射範囲２００間の距離を、距離ｗ２を用いて表し、実施の形態１の距離ｗ１よりも細分化して表す。すなわち、図８に示されるビームを照射する位置の候補は、クラスタ２１０のビームの数と同じ数の８通りのであったのに対し、図１２では距離ｗ２の幅の値次第でビームを照射する位置の候補数を増加させることができる。なお、距離ｗ２の粒度は、ビーム形成部１３０の照射範囲２００の形成精度に依存するが、デジタルビームフォーミングであれば高精度なビーム形成が可能となる。

ビームの照射位置を細分化することによる効果について説明する。図１３は、実施の形態２にかかる端末１０５の位置およびビームパタンの例を示す図である。図９では、ビームの照射位置は、ビームの中心座標に限定されているため、位置３０１に位置する端末１０５は、ビームの最大のＳＩＮＲでデータを受信することができない。このため、端末１０５の受信電力が低下し、回線品質が相対的に低い変調方式と符号化率で通信することとなり、端末１０５の周波数利用効率が低下していた。本実施の形態では図１３に示すように、リソース制御部１６６ａは、距離ｗ２の粒度でビームを照射する位置を細分化するため、位置３０１および位置３０２において端末１０５がビームの最大のＳＩＮＲでデータを受信できるビームの中心座標である座標３０７および座標３０６を選択することができる。このため、本実施の形態では位置３０１に位置する端末１０５の受信電力を改善し、端末１０５の周波数利用効率を向上することができる。

図１４は、実施の形態２にかかる端末１０５の位置およびビームパタンの別の例を示す図である。リソース制御部１６６ａは、図１４に示すようにビームパタン３０４のヌル点がビームパタン３０３のＳＩＮＲが最大となる位置３０１と一致するようにビームの中心の座標３０８を決定する。ヌル点とは、ビームの利得が低下する点をいう。このことにより、位置３０２ではビームパタン３０４のＳＩＮＲが若干低下するものの、位置３０１におけるビームパタン３０３とビームパタン３０４との干渉を大幅に低減することができる。なお、図１４では、ビームパタン３０３およびビームパタン３０４は、同一のビームパタンの形で記載しているが、ビームパタン３０３のＳＩＮＲが最大となる位置３０１でヌル点が一致するようにビームパタン３０４の形を変更してもよい。この場合、制御局１０３ａから中継局１０１へビームの照射位置とヌル点の位置とを通知し、中継局１０１のビーム形成部１３０が指定の位置へヌル点が向くようにビームを形成することで実現できる。また、第２の送受信部１６１は、リソース制御部１６６ａが決定した中心座標およびヌル点を中継局１０１に送信する。

制御局１０３ａの動作を説明する。図１５は、実施の形態２にかかる制御局１０３ａの制御例を示すフローチャートである。実施の形態１では、リソース制御部１６６は、照射範囲２００毎の要求スロット数を算出していたのに対し、本実施の形態では、リソース制御部１６６ａは、ビーム位置毎における要求スロット数を算出する（ステップＳ１１）。ここで、ビーム位置とは、図１２に示される照射範囲２００の中心座標の分解能である距離ｗ２毎の位置であり、図１２の例では、照射範囲２００をおよそ４分割した範囲毎に在圏する端末１０５の要求スロット数の合計となる。リソース制御部１６６ａは、クラスタ２１０毎のビーム位置での要求スロット数の合計を算出し（ステップＳ１２）、クラスタ２１０毎にスロット割当判定の優先順位を実施の形態１と同様に決定する（ステップＳ１３）。リソース制御部１６６ａは、クラスタ２１０内のビーム位置毎の優先順位を決定する（ステップＳ１４）。リソース制御部１６６ａは、優先順位に従って、割当候補となるビーム位置に対してスロット割当判定を行う（ステップＳ１５）。なお、スロット割当判定において、実施の形態１では隣接する照射範囲２００が割当済か否かで決定ができたが、本実施の形態では、ビームの照射位置を細分化するため、リソース制御部１６６ａは、ビームパタンと割当済の照射範囲２００との距離からビーム間の干渉量を推定した後に回線品質、すなわちＳＩＮＲが最大となるようにスロットの割り当てを決定する。

図１６は、実施の形態２にかかるビーム位置の例を示す図である。実施の形態１では、ビーム位置を図１４に示すように距離ｗ２の１次元で決定していたが、図１６が示すように距離ｗ２と距離ｗ３とを用いて２次元で決定してもよい。２次元で決定する場合、照射範囲１−１と照射範囲２−１とで異なる偏波で送信する、または、照射範囲１−１と照射範囲２−１とで異なる周波数で送信することで、照射範囲２００の中心位置を変えた場合においても照射範囲２００間で干渉は生じない。

図１７は、実施の形態２にかかるビーム位置の別の例を示す図である。図１７に示すように複数のビームを同時に同じ座標に照射してもよく、例えば、照射範囲１−３と照射範囲２−３とを異なる偏波でビームを多重伝送することで、端末１０５に対して２倍の伝送容量でデータを送信することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、制御局１０３ａは、ビームを照射する中心座標を細分化し、端末１０５の位置などの情報をもとにシステムスループットが最大化するように中心座標を決定することとした。したがって、中心座標が限定されている場合と比較して周波数利用効率を改善することができ、ひいては、データの送信にかかる時間効率の低下および周波数の利用効率の低下の抑制することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１−１，１−３，２−１，２−３，２００，２０１−１〜２０１−ｐ，２０２−１〜２０２−ｑ，Ｂ１〜Ｂ１６ 照射範囲、１０，１０ａ データ伝送システム、１０１ 中継局、１０２，１０２−１，１０２−２ ゲートウェイ、１０３，１０３ａ 制御局、１０４ 公衆網、１０５，１０５−１〜１０５−ｒ 端末、１１０ 受信部、１２０ 交換部、１３０ ビーム形成部、１４０ 送信部、１５０ 制御部、１５１ 第１の送受信部、１５２ 第１の蓄積部、１５３ 第１の時刻管理部、１５４ 交換制御部、１５５ ビーム形成制御部、１６１ 第２の送受信部、１６２ 第２の蓄積部、１６３ 第２の時刻管理部、１６４ 回線品質監視部、１６５ トラヒック監視部、１６６，１６６ａ リソース制御部、１６７ クラスタ制御部、２１０，２１０−１，２１０−２，Ｃ１〜Ｃ３ クラスタ、３００ 制御回路、３００ａ プロセッサ、３００ｂ メモリ、３０１，３０２ 位置、３０３，３０４ ビームパタン、３０５，３０６，３０７，３０８ 座標、ｗ１〜ｗ３ 距離。

Claims (14)

1. 複数のビームによりそれぞれ複数の照射範囲を照射可能であり、前記照射範囲のうちの２つ以上でクラスタを形成し、前記クラスタ単位で前記照射範囲に割当てられたスロットを示す割当情報に基づいて前記ビームを照射するビーム形成部を備え、
   １つの前記照射範囲は複数の前記クラスタに属することを特徴とする中継局。
2. 複数の前記クラスタが面的に配置されることによってカバレッジエリアを構成することを特徴とする請求項１に記載の中継局。
3. 前記カバレッジエリアは、
   直列に配置される前記照射範囲で形成された前記クラスタを複数用いることで形成され、
   複数の前記クラスタは、互いに異なる周波数または互いに異なる偏波の前記ビームを用いることを特徴とする請求項２に記載の中継局。
4. 前記ビーム形成部は、
   互いに異なる偏波または互いに異なる周波数の前記ビームを、同一時刻および同一座標に照射することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の中継局。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の中継局が照射するビームの偏波および周波数の割り当て、およびスロットをクラスタに割り当てる判定を行うリソース制御部と、
   前記ビームを照射する中心座標と前記ビームのビームパタンのヌル点とを前記中継局に送信する送受信部を備えることを特徴とする制御局。
6. 前記制御局は、
   前記クラスタに属する前記照射範囲の組み合わせを変更するクラスタ制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載の制御局。
7. 前記リソース制御部は、
   端末の位置に基づいて照射される前記ビームの信号対干渉雑音電力比が最大となるように前記中心座標を決定することを特徴とする請求項５または６に記載の制御局。
8. 前記リソース制御部は、
   一方の端末に照射するビームのヌル点が他方の端末に照射するビームの信号対干渉雑音電力比が最大となる位置と一致するように、前記一方の端末のビームの前記中心座標を決定することを特徴とする請求項５または６に記載の制御局。
9. 前記リソース制御部は、
   一方の端末に照射するビームのヌル点が他方の端末に照射するビームの信号対干渉雑音電力比が最大となる位置と一致するように、前記一方の端末の前記ビームパタンを変更させること特徴とする請求項５または６に記載の制御局。
10. 請求項１から４のいずれか１つに記載の中継局と、
    請求項５から９のいずれか１つに記載の制御局と、
    を備えることを特徴とするデータ伝送システム。
11. 制御局による制御により中継局がビームを照射することで端末にデータを送信するデータ伝送方法であって、
    前記中継局が、複数のビームによりそれぞれ複数の照射範囲を照射可能であり、前記照射範囲のうちの２つ以上でクラスタを形成し、前記クラスタ単位で前記照射範囲に割当てられたスロットを示す割当情報に基づいて前記ビームを照射する第１のステップを含み、
    １つの前記照射範囲は複数の前記クラスタに属することを特徴とするデータ伝送方法。
12. 前記制御局が、前記中継局が照射するビームの偏波および周波数の割り当て、およびスロットをクラスタに割り当てる判定を行う第２のステップと、
    前記制御局が、前記ビームを照射する中心座標と前記ビームのビームパタンのヌル点とを前記中継局に送信する第３のステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１１に記載のデータ伝送方法。
13. 複数のビームによりそれぞれ複数の照射範囲を照射可能な中継局を制御するための制御回路であって、
    前記照射範囲のうちの２つ以上でクラスタを形成し、前記クラスタ単位で前記照射範囲に割当てられたスロットを示す割当情報に基づいて前記ビームを照射するビーム形成、
    を前記中継局に実行させ、
    １つの前記照射範囲は複数の前記クラスタに属することを特徴とする制御回路。
14. 複数のビームによりそれぞれ複数の照射範囲を照射可能な中継局を制御するためのプログラムであって、
    前記照射範囲のうちの２つ以上でクラスタを形成し、前記クラスタ単位で前記照射範囲に割当てられたスロットを示す割当情報に基づいて前記ビームを照射するビーム形成、
    を前記中継局に実行させ、
    １つの前記照射範囲は複数の前記クラスタに属することを特徴とするプログラム。

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