JP7108737B1 - 通信中継装置、遠隔制御装置、システム、エリア制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】地上に向けて形成する複数のセルからなるサービスエリア内の端末装置の分布の変化に対応可能な動的エリア制御を行うことができ、そのエリア最適化にかかる時間の増加を抑制することができる空中浮揚型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）を提供する。【解決手段】空中滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）は、サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定し、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、サブエリアごとに、複数の端末装置の位置の推定結果に基づいてサービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化し、複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについてサブエリアごとの最適化が完了した後の複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、サービスリンク用アンテナに適用する。【選択図】図８

Description

本発明は、空中滞在型の通信中継装置が地上に向けて形成するセルで構成されるサービスエリアの最適化に関する。

従来、空中に浮揚して滞在可能な高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）等の通信中継装置が地上に形成するサービスエリア（以下、単に「エリア」ともいう。）の全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようにサービスリンクのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化を行う方法が知られている。

例えば、非特許文献１には、エリアにおける端末装置としてのユーザ装置（以下「ＵＥ」ともいう。）の分布が一様分布であると想定してエリア最適化を行う方法が開示されている。また、非特許文献２には、エリアが複数のセルで構成されている場合に、エリア全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようセルごとに最適化を行う方法が開示されている。

Ｙ． Ｓｈｉｂａｔａ， Ｎ． Ｋａｎａｚａｗａ， Ｍ． Ｋｏｎｉｓｈｉ， Ｋ． Ｈｏｓｈｉｎｏ， Ｙ． Ｏｈｔａ ａｎｄ Ａ． Ｎａｇａｔｅ， "Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｇｉｇａｂｉｔ ＨＡＰＳ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，" ｉｎＩＥＥＥ Ａｃｃｅｓｓ， ｖｏｌ． ８， ｐｐ． １５７９９５－１５８００７， ２０２０． 柴田洋平， 高畠航， 星野兼次， 長手厚史， "複数セル構成におけるユーザ分布を考慮したＨＡＰＳ動的セル制御アルゴリズム"， 信学技報， ｖｏｌ． １２０， ｎｏ． ３２２， ＲＣＳ２０２０－１８５， ｐｐ． １７０－１７５， ２０２１年１月．

非特許文献２の方法では、エリア内の非一様のＵＥ分布に対応できるが、セルごとに最適化を行うため計算が指数関数的に複雑になり、計算量が増大し、エリア最適化にかかる時間が増加する、という課題がある。

本発明の一態様に係る通信中継装置は、地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置である。この通信中継装置は、前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定する位置推定手段と、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するパラメータ最適化手段と、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用するパラメータ適用手段と、を備える。

本発明の他の態様に係る遠隔制御装置は、地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置である。この遠隔制御装置は、前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定する位置推定手段と、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するパラメータ最適化手段と、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記通信中継装置に送信するパラメータ送信手段と、を備える。

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記パラメータ最適化手段は、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのそれぞれを順番に選択し、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記選択したサブエリアに含まれる複数のセルのそれぞれに対する前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータと前記選択したサブエリア以外の他のサブエリアの方向を決めるパラメータとを最適化してもよい。

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記パラメータ最適化手段は、遺伝的アルゴリズムを用いて前記サブエリアごとのパラメータ最適化を行ってもよい。

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記パラメータ最適化手段は、前記サブエリアごとのパラメータ最適化を複数回（Ｔ回）繰り返し実行してもよい。

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記複数の端末装置の位置の推定と前記アンテナパラメータの最適化と前記アンテナパラメータの最適値の前記サービスリンク用アンテナへの適用とを、定期的に、又は、前記サービスエリアにおける前記端末装置の分布の変化量が所定変化量よりも大きくなったときに実行してもよい。

前記通信中継装置において、前記中継通信局は、地上のゲートウェイ局との間のフィーダリンクを介して移動通信網に接続され、ベースバンド処理を行う基地局処理部を備えてもよい。

前記通信中継装置において、前記中継通信局は、地上のゲートウェイ局との間のフィーダリンクを介して基地局装置に接続され無線中継を行うリピータ部を備えてもよい。

本発明の更に他の態様に係るシステムは、前記いずれかの遠隔制御装置と、地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と、を備える。

本発明の更に他の態様に係る方法は、空中滞在型の通信中継装置から地上に向けて形成した複数（Ｎ）個のセルからなるサービスエリアに対するエリア制御方法である。このエリア制御方法は、前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定することと、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化することと、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用することと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムである。このプログラムは、前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定するためのプログラムコードと、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用するためのプログラムコードと、を含む。

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムである。このプログラムは、前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定するためのプログラムコードと、前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記通信中継装置に送信するためのプログラムコードと、を含む。

本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置から地上に向けて形成する複数のセルからなるサービスエリア内の端末装置の分布の変化に対応可能な動的エリア制御を行うことができ、そのエリア最適化にかかる時間の増加を抑制することができる。

実施形態に係る通信システムの構成の一例を示す説明図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、９個のセルで構成されるサービスエリア内のセルごとのエリア最適化の適用前及び適用後のセルの配置の説明図。 エリア最適化に用いるアンテナパラメータとしてのアンテナチルト角、垂直半値幅及び垂直半値幅の説明図。 エリア最適化に用いるサブエリアの水平指向方向の説明図。 各セルに適用する最適化の対象のアンテナパラメータの一覧を示す説明図。 サービスエリアを複数のサブエリアに分割するエリア分割の一例を示す説明図。 分割後の各サブエリアに含まれるアンテナパラメータの一覧を示す説明図。 実施形態に係る動的エリア制御の一例を示すフローチャート。 （ａ）～（ｃ）は、図８の動的エリア制御におけるアンテナパラメータの最適化対象のサブエリアの切り替え一例を示す説明図。 （ａ）～（ｃ）はそれぞれ、サービスエリアを複数のサブエリアに分割するエリア分割の他の例を示す説明図。

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。
本書に記載された実施形態に係るシステムは、多セルから構成されるＨＡＰＳモバイル通信システムにおいて、ＨＡＰＳが通信を中継する対象のエリアにおけるユーザのＵＥ（端末装置）の位置を推定し、エリア全体を複数のサブエリアに分割した上で逐次的にサブエリアを選択し、選択されたサブエリア内のアンテナパラメータを、推定されたＵＥの位置情報を基に最適化することにより、エリア最適化にかかる時間の増加を抑制しつつ、ユーザ分布の変化に対応可能な動的エリア制御システムである。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（以下「ＵＥ」という。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及びＵＥに適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。

図１に示すように、通信システムは、空中浮揚型の通信中継装置（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」、「成層圏プラットフォーム」ともいう。）２０を備えている。ＨＡＰＳ２０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。ＨＡＰＳ２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体としての飛行船に、中継通信局２１が搭載されたものである。

ＨＡＰＳ２０の位置する空域は、例えば、地上（又は海や湖などの水上）の高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域は、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。

本実施形態の通信システムにおける１又は２以上のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域であるセル形成目標空域は、ＨＡＰＳ２０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ又は次世代のｇＮｏｄｅＢ）がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。

なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、ＨＡＰＳ２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置するＵＥ６１との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。

ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、サービスリンク用アンテナ（以下「ＳＬアンテナ」という。）２１１により、移動局であるＵＥ６１と無線通信するための複数のビームを地面に向けて形成する。ＳＬアンテナ２１１は、例えば、複数のアンテナ素子が２次元的に又は３次元的に配列され、地上に向けて複数のビームを形成可能な単数又は複数のアレイアンテナである。

ＵＥ６１は、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、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。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セルである。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。

ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、例えば、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ゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上）側の基地局装置に接続された中継局としてのフィーダ局（リピータ親機）７０と無線通信するリピータ子機である。なお、以下の実施形態では、中継通信局２１がリピータ子機である場合について説明する。

ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、フィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）２１２により無線通信可能な地上又は海上に設置されたゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」という。）７０及び基地局装置８０を介して移動通信網９０のコアネットワークに接続され、更には外部の通信網であるインターネットに接続されている。ＦＬアンテナ２１２は、例えば、複数のアンテナ素子が２次元的に又は３次元的に配列された単数又は複数のアレイアンテナであってもよい。図中のフィーダリンクＦＬ（Ｆ）は、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ２０を経由してＵＥ６１に向かうフォワードリンクであり、フィーダリンクＦＬ（Ｒ）は、ＵＥ６１からＨＡＰＳ２０を経由してＧＷ局７０に向かうリバースリンクである。

ＨＡＰＳ２０は、内部に組み込まれたコンピュータ又はプロセッサ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ２０は、後述の動的エリア制御を自律的に行うことができる。また、ＨＡＰＳ２０は、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。

また、ＨＡＰＳ２０の制御部は、制御プログラムを実行することにより、次のＣ１～Ｃ３の手段としても機能する。
Ｃ１．サービスエリア２０Ａ内に位置する複数のＵＥ６１の位置を推定する位置推定手段
Ｃ２．サービスエリア２０Ａを、複数のセル２０Ｃを含む複数（Ｍ）個のサブエリア２０Ｓに分割し、サブエリア２０Ｓごとに、前記複数のＵＥ６１の位置の推定結果に基づいてＳＬアンテナ２１１の複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するパラメータ最適化手段
Ｃ３．複数（Ｍ）個のサブエリア２０Ｓのすべてについてサブエリア２０Ｓごとの最適化が完了した後の複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、ＳＬアンテナ２１１に適用するパラメータ適用手段

ここで、上記複数のＵＥ６１の位置は、例えば、各ＵＥ６１からフィードバックされるＧＮＳＳの位置情報又はＭＲ（測定報告）を用いて推定することができる。

また、ＨＡＰＳ２０の浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理は、移動通信網９０の通信センター等に設けられた遠隔制御装置９５によって制御できるようにしてもよい。遠隔制御装置９５は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。ＨＡＰＳ２０は、遠隔制御装置９５からの制御情報を受信したり遠隔制御装置９５に監視情報などの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９５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。

遠隔制御装置９５は、例えば、ＨＡＰＳ２０と連携することにより後述の動的エリア制御を行うことができる。

また、ＨＡＰＳ２０は、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理に関する情報、ＨＡＰＳ２０の位置情報、ＨＡＰＳ２０の状態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監視情報を、遠隔制御装置９５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、ＨＡＰＳの目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、ＨＡＰＳ２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。

中継通信局２１とＵＥ６１と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２１とＵＥ６１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ＵＥ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ＵＥ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ＵＥ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。

なお、以下の実施形態では、ＵＥ６１と無線通信する中継通信局２１を有する通信中継装置が、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０の場合について図示して説明するが、通信中継装置は、ソーラープレーン、ドローン（無人航空機）又は他の種類の飛行体に中継通信局２１が搭載されたものであってもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ以外の他の空中浮揚型の通信中継装置にも同様に適用できる。

上記構成のＨＡＰＳモバイル通信システムにおいて、例えば基地局装置８０からの信号がＧＷ局７０及びＨＡＰＳ２０で中継され、地上のＵＥ６１に通信サービスを提供することができる。本通信システムでは、ＨＡＰＳ２０が地上に向けて形成する複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）で構成されるサービスエリア（以下、単に「エリア」ともいう。）２０Ａの全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようにＳＬアンテナ２１１のアンテナパラメータを最適化するエリア最適化を行う。

上記エリアにおけるＵＥの分布は場所や時間によって異なる。例えば災害時にはエリア内の一部にＵＥが集中してトラフィックが急激な増加が発生する可能性がある。このような場所や時間によって変化するエリア内の非一様のＵＥ分布に対応できるように、本実施形態では、エリア２０Ａを構成するセルごとに上記エリア最適化を動的に行う動的エリア制御を行う。

図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、９個のセルで構成されるサービスエリア内のセルごとのエリア最適化の適用前及び適用後のセルの配置の説明図である。図２中の明度が高い９箇所の部分がセルの位置であり、当該部分の数字はセルを識別するための番号である。また、図２においてエリア内のＵＥの位置を小さい点で示している。図２の例では、エリア内の５箇所でＵＥの密度が部分的に高くなっているＵＥ高密度部が発生している。図２（ａ）のセルごとのエリア最適化の適用前では図中の矢印で示した３箇所のＵＥ高密度部６０がセルに対応していないが、図２（ｂ）のセルごとのエリア最適化の適用後では３箇所のＵＥ高密度部６０に対応している。

このようにセルごとのエリア最適化を行うことによりセルの位置をエリア内の非一様のＵＥ分布に対応させることができる。しかしながら、ＳＬアンテナ２１１の複数のアンテナパラメータをセルごとに最適化を行うエリア最適化を実施する場合、エリア内のセルの数やアンテナパラメータの数の増加により、セルごとにアンテナパラメータの最適化するための計算が指数関数的に複雑になり、計算量が増大し、エリア最適化にかかる時間が増加してしまう。

例えば、Ｎ個のセルで構成されるエリアのエリア最適化において、エリア内の任意のｉ番目のセルｉに対する複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータとして、次の４種類のアンテナパラメータＡ～Ｄを定義して用いる。
Ａ．チルト角θ_{ｔｉｌｔ，ｉ}
Ｂ．垂直半値幅θ_{３ｄＢ，ｉ}
Ｃ．水平半値幅φ_{３ｄＢ，ｉ}
Ｄ．セルの水平指向方向ω_ｉ

図３に示すように、チルト角θ_{ｔｉｌｔ，ｉ}は、ＨＡＰＳ２０のＳＬアンテナ２１１から対象のｉ番目のセル２０（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃの水平方向Ｈからの角度である。垂直半値幅θ_{３ｄＢ，ｉ}は、ｉ番目のセル２０（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃを含む垂直面Ｐ_Ｖにおいてビームの利得が主ビーム中央の最大利得から３ｄＢ減少した２点間の角度幅である。水平半値幅φ_{３ｄＢ，ｉ}は、ｉ番目のセル２０（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃを含む水平面Ｐ_Ｈにおいてビームの利得が主ビーム中央の最大利得から３ｄＢ減少した２点間の角度幅である。

また、図４に示すように、ｉ番目のセルの水平指向方向ω_ｉは、ＨＡＰＳ２０のＳＬアンテナ２１１の位置（図示の例では半径Ｒのエリア２０Ａの中心）を基準点として含む水平面において、所定の基準水平方向Ｈｓを基準にして、上記基準点から対象のセル（図示の例ではセル２）の中心を通る方向の角度である。

４種類のアンテナパラメータＡ～Ｄの場合、セルの数がＮ個とすると最適化の対象のアンテナパラメータの数の合計は４Ｎ個である。例えば、セルの数が９個の場合、図５に示すように最適化の対象のアンテナパラメータの数の合計は３６個である。各アンテナパラメータの候補数が１０個とすると、最適化対象のアンテナパラメータの候補数の組み合わせ数は、１０^４Ｎ個なる。このように最適化対象のアンテナパラメータの候補数の組み合わせ数は、セルの数Ｎが増加していくと指数関数的に増加し、セルごとに最適化を行うため計算が指数関数的に複雑になっていく。そのため、エリア最適化のための計算量が増大し、エリア最適化にかかる時間が増加する。

そこで、本実施形態では、サービスエリア２０Ａを複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、サブエリアごとに複数（Ｌ）種類（上記例では４種類）のアンテナパラメータを最適化している。

例えば、図６に示すようにセルの数Ｎが９個であり、エリア２０Ａを分割したサブエリア２０Ｓ（１）～２０Ｓ（３）の数Ｍが３個の場合、各サブエリアはＮ／Ｍ＝３個のセルで構成される。なお、図６において高明度部がセルであり、セル中の数字はセルの識別番号である（後述の図９及び図１０においても同様）。

図６の例において、各サブエリアのアンテナパラメータの数は１２個である（図７参照）。ここで、セル１～セル３を含むサブエリア１についてアンテナパラメータを最適化するとき、残りのサブエリア２，３のアンテナパラメータは固定とする。その代わりに、サブエリア２，３それぞれについて、サブエリア全体の方向を決める方向調整パラメータΔω_２、Δω_３を最適化する。この方向調整パラメータΔω_２、Δω_３を用いて、注目サブエリア１以外のサブエリア２及び３についてセルの水平指向方向ω_ｉ（ｉ＝４～９）が更新される。例えば、サブエリア２に含まれるセル４～６の水平指向方向ω_４、ω_５、ω_６が次式（１）のω_{４，ＮＥＷ}、ω_{５，ＮＥＷ}、ω_{６，ＮＥＷ}に更新され、サブエリア３に含まれるセル７～９の水平指向方向ω_７、ω_８、ω_９が次式（２）のω_{７，ＮＥＷ}、ω_{８，ＮＥＷ}、ω_{９，ＮＥＷ}に更新される。

同様に、セル４～セル６を含むサブエリア２についてアンテナパラメータを最適化するとき、残りのサブエリア１，３のアンテナパラメータは固定した上で、サブエリア１，３それぞれのサブエリア全体の方向を決める方向調整パラメータΔω_１、Δω_３を最適化する。また、セル７～セル９を含むサブエリア３についてアンテナパラメータを最適化するとき、残りのサブエリア１，２のアンテナパラメータは固定した上で、サブエリア１，２それぞれのサブエリア全体の方向を決める方向調整パラメータΔω_１、Δω_２を最適化する。

上記方向調整パラメータΔω_１、Δω_２、Δω_３は、各サブエリアが互いに影響することを考慮し、アンテナパラメータを最適化するときに対象のサブエリア以外の残りのサブエリアの方向についても同時に調整するための追加パラメータである。

エリア２０Ａを３つのサブエリア１～３に分割した場合、図７に示すように各サブエリアに含まれるアンテナパラメータは１２個ずつになる。すなわち、１回あたりで最適化するアンテナパラメータの数を、エリア２０Ａ全体の４Ｎ個から、サブエリアごとの４（Ｎ／Ｍ）＋Ｍ－１個まで削減することができる。従って、１回あたりの最適化の計算量を大幅に削減することができる。

図８は、実施形態に係るＨＡＰＳ２０における動的エリア制御の一例を示すフローチャートである。図９（ａ）～（ｃ）は、図８の動的エリア制御におけるアンテナパラメータの最適化対象のサブエリアの切り替え一例を示す説明図である。図８において、動的エリア制御は、ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）と、逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）と、実環境への最適化パラメータを適用するパラメータ適用ステップ（Ｓ１３０）とを含む。

ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）では、何らかの方法でエリア２０Ａ内の各ＵＥ６１の位置が推定され、その推定結果（例えば、各ＵＥ６１の位置の座標データ）が出力される。各ＵＥ６１の位置は、例えば、各ＵＥ６１からフィードバックされるＧＮＳＳの位置情報又はＭＲ（測定報告）を用いて推定することができる。

次に、逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）では、ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）で出力された各ＵＥ６１の位置の推定結果（例えば、各ＵＥ６１の位置の座標データ）が入力され、サブエリアごとに最適化される各セルのアンテナパラメータの最適値が出力される。例えば、Ｎ個のセルのエリア２０ＡをＭ個のサブエリアに分割し、以下の手順で各サブエリアを順番に最適化する。

まず、Ｍ個に分割されたサブエリアのうち、１つのサブエリア（例えば図９（ａ）のサブエリア２０Ｓ（１））が選択される（Ｓ１２１）。

次に、前述の合計４（Ｎ／Ｍ）＋Ｍ－１個のアンテナパラメータが遺伝的アルゴリズム等により最適化される（Ｓ１２２）。

次に、エリア２０Ａの全体のアンテナパラメータの値が、上記最適化されたパラメータの値でアップデートされる（Ｓ１２３）。

次に、残りのサブエリア（例えば図９（ｂ）のサブエリア２０Ｓ（２）、図９（ｃ）のサブエリア２０Ｓ（３））についても、上記Ｓ１２１～Ｓ１２３の処理が繰り返される。更に、すべてのサブエリアについての上記Ｓ１２１～Ｓ１２３の処理がＴ回（Ｔ≧１）繰り返される。その結果、最終的には、上記Ｓ１２１～Ｓ１２３の処理がＭ×Ｔ回（Ｔ≧１）繰り返されることになる。

パラメータ適用ステップ（Ｓ１３０）では、上記逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）が完了した後のエリア２０Ａ内の各セルのアンテナパラメータの更新最終値が、実環境の通信中継局におけるＳＬアンテナ２１１の制御設定値として適用される。

なお、図８及び図９に例示した動的エリア制御は定期的（例えば、１時間ごと又は２時間後ごとの周期的なタイミング）に実行してもよいし、又は、エリア２０Ａ内のＵＥ分布に大きな変化が生じるたびに（例えば、所定の監視エリア内のＵＥ数の変化量が所定の閾値を超えたタイミングに）実行してもよい。

なお、上記動的エリア制御におけるサービスエリア２０Ａの分割の数及び方法は、サービスエリア２０Ａ内に含まれるセルの数、サイズ及び形状などによって決定してもよい。

図１０（ａ）～（ｃ）はそれぞれ、サービスエリア２０Ａを複数のサブエリアに分割するエリア分割の他の例を示す説明図である。図１０（ａ）の例では、サービスエリア２０Ａ内に放射状に延びた１２個のセルが形成され、そのセルを４個ずつ含むようにサービスエリア２０Ａが３分割されている。図１０（ｂ）の例では、複数層のセル構成を有するサービスエリア２０Ａ内に同心円状に３列に形成された２１個のセルを７個ずつ含むようにサービスエリア２０Ａが３分割されている。

なお、各サブエリアのサイズを同じするためには、サービスエリア２０Ａ内のセルの総数Ｎがサブエリアの数（サービスエリア２０Ａの分割数）Ｍで割り切れる必要があるが、必ずしもすべてのサブエリアのセル数が同じでなくてもよい。

例えば、図１０（ｃ）の例では、複数層のセル構成を有するサービスエリア２０Ａを周方向に３分割するとともに径方向に２分割することにより、合計６個の複数層のサブエリア２０Ｓ（１）～２０Ｓ（６）に分割している。この場合、動的エリア制御で必要になるアンテナパラメータの数がサブエリア内のセル数に応じて異なる。例えば、図１０（ｃ）において、内側のサブエリア２０Ｓ（１）～２０Ｓ（３）では１回当たりの最適化対象のアンテナパラメータの数（種類の数）は４×３＋６－１＝１７個であり、外側のサブエリア２０Ｓ（４）～２０Ｓ（６）では１回当たりの最適化対象のアンテナパラメータの数（種類の数）は４×４＋６－１＝２１個である。

以上、本実施形態によれば、地上に向けて形成する複数のセルからなるサービスエリア２０Ａ内のＵＥ６１の分布の変化に対応可能な動的エリア制御を行うことができ、そのエリア最適化にかかる時間の増加を抑制することができる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、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）、基地局及び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、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、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）、フラッシュメモリ、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ばよく、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。

２０ ：ＨＡＰＳ（通信中継装置）
２０Ａ ：サービスエリア
２０Ｃ ：セル
２０Ｆ ：フットプリント
２０Ｓ ：サブエリア
２１ ：中継通信局
６０ ：ＵＥ高密度部
６１ ：ＵＥ（端末装置）
７０ ：ＧＷ局
８０ ：基地局装置
９０ ：移動通信網
９５ ：遠隔制御装置
２１１ ：サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
２１２ ：フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）

Claims (12)

1. 地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置であって、
   前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定する位置推定手段と、
   前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するパラメータ最適化手段と、
   前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用するパラメータ適用手段と、
   を備えることを特徴とする通信中継装置。
2. 請求項１の通信中継装置において、
   前記パラメータ最適化手段は、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのそれぞれを順番に選択し、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記選択したサブエリアに含まれる複数のセルのそれぞれに対する前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータと前記選択したサブエリア以外の他のサブエリアの方向を決めるパラメータとを最適化する、ことを特徴とする通信中継装置。
3. 請求項１又は２の通信中継装置において、
   前記パラメータ最適化手段は、前記サブエリアごとのパラメータ最適化を複数回（Ｔ回）繰り返し実行する、ことを特徴とする通信中継装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
   前記複数の端末装置の位置の推定と前記アンテナパラメータの最適化と前記アンテナパラメータの最適値の前記サービスリンク用アンテナへの適用とを、定期的に、又は、前記サービスエリアにおける前記端末装置の分布の変化量が所定変化量よりも大きくなったときに実行する、ことを特徴とする通信中継装置。
5. 地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置であって、
   前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定する位置推定手段と、
   前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するパラメータ最適化手段と、
   前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記通信中継装置に送信するパラメータ送信手段と、
   を備えることを特徴とする遠隔制御装置。
6. 請求項５の遠隔制御装置において、
   前記パラメータ最適化手段は、前記複数（Ｍ）個のサブエリアのそれぞれを順番に選択し、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記選択したサブエリアに含まれる複数のセルのそれぞれに対する前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータと前記選択したサブエリア以外の他のサブエリアの方向を決めるパラメータとを最適化する、ことを特徴とする遠隔制御装置。
7. 請求項５又は６の遠隔制御装置において、
   前記パラメータ最適化手段は、前記サブエリアごとのパラメータ最適化を複数回（Ｔ回）繰り返し実行する、ことを特徴とする遠隔制御装置。
8. 請求項５乃至７のいずれかの遠隔制御装置において、
   前記複数の端末装置の位置の推定と前記アンテナパラメータの最適化と前記アンテナパラメータの最適値の前記サービスリンク用アンテナへの適用とを、定期的に、又は、前記サービスエリアにおける前記端末装置の分布の変化量が所定変化量よりも大きくなったときに実行する、ことを特徴とする遠隔制御装置。
9. 請求項５乃至８のいずれかの遠隔制御装置と、前記空中滞在型の通信中継装置とを備えるシステム。
10. 地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置から地上に向けて形成した前記複数（Ｎ）個のセルからなるサービスエリアに対するエリア制御方法であって、
    前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定することと、
    前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化することと、
    前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用することと、
    を含むことを特徴とするエリア制御方法。
11. 地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムであって、
    前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定するためのプログラムコードと、
    前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、
    前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用するためのプログラムコードと、
    を含むことを特徴とするプログラム。
12. 地上のサービスエリアに向けて形成した複数（Ｎ）個のセル内に位置する端末装置の無線通信を中継する中継通信局とサービスリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムであって、
    前記サービスエリア内に位置する複数の端末装置の位置を推定するためのプログラムコードと、
    前記サービスエリアを、複数のセルを含む複数（Ｍ）個のサブエリアに分割し、前記サブエリアごとに、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて前記サービスリンク用アンテナの複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、
    前記複数（Ｍ）個のサブエリアのすべてについて前記サブエリアごとの最適化が完了した後の前記複数（Ｌ）種類のアンテナパラメータの最適値を、前記通信中継装置に送信するためのプログラムコードと、
    を含むことを特徴とするプログラム。

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