JP7285553B2 - 通信装置、通信方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、通信装置、通信方法、及びプログラムに関する。

地球を周回する人工衛星と地上の無線基地局（以下、地上局と称する）とが通信を行う場合、地上局と人工衛星とを結ぶ線と地上局を基準とした水平面とのなす角度である仰角が低いほど、地上局と人工衛星との間の電波の伝搬距離が長くなるため、自由空間損失によって電波の減衰がより大きくなりやすい。通常、人工衛星から地上局に向けたデータ通信の回線設計では、最も回線成立性の低い条件、つまり運用時の仰角が最低となる条件下において、人工衛星に搭載されたアンテナや、電波の送信電力といった種々のパラメータを決定し、固定される。そのため、仰角が高くなる運用では、仰角が低いときよりも伝搬距離が短くなるため、地上局では通信回線成立に必要な受信電力を超える余分な電力（以下、余剰電力と称する）が発生し得る。

上記のように余剰電力が発生する条件下において更なるデータ伝送の高速化および大容量化を実現する技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。例えば、特許文献１には、降雨減衰や自由空間損失などの通信環境の変動に対して、事前の計画通りに、誤り訂正符号の符号化方式を変更したり、変調方式を変更したりする技術が開示されている。このような方式を採用することで、人工衛星と地上局との間の通信の周波数利用効率の最大化を図っている。

国際公開第２０１６／１７４７７４号 特開昭５８－１５０３４３号公報

しかしながら、従来の技術では、運用時における人工衛星の仰角に応じて発生し得る余剰電力をもとに、誤り訂正符号の符号化率や変調方式を切り替える際に、ＣＣＳＤＳ（Consultative Committee for Space Data System）やＥＴＳＩ（European Telecommunications Standards Institute）などが定める標準規格に準じた制御を行うため、規格化された符号化率や変調方式は有限であり、周波数利用効率の最大化が十分でなかった。その結果、高速に大容量のデータを送信することができていなかった。また、このような課題は、人工衛星のような宇宙機に限られず、地上上空を飛行する航空機やドローンといった地上局と通信する移動体全般に共通するところである。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる通信装置、通信方法、及びプログラムを提供することを目的の一つとする。

本発明の一態様は、複数の搬送波を用いてデータを誤り訂正符号化・変調し、前記変調したデータを地上局に送信する送信部と、前記送信部によって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する制御部と、を備え、前記制御部は、前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する通信装置である。

本発明の一態様によれば、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる。

実施形態に係る通信装置を含む通信システム１の一例を示す図である。 実施形態に係る通信装置１００の構成の一例を示す図である。 送信部１１０の構成の一例を示す図である。 仰角に対する自由空間損失の変化の一例を示す図である。 本実施形態の手法と従来手法とを比較した図である。 キャリア毎の電力分配を模式的に示す図である。 実施形態に係る通信装置１００による一連の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 ＱＡＭの信号空間ダイヤグラムの一例を表す図である。

以下、図面を参照し、本発明の通信装置、通信方法、及びプログラムの実施形態について説明する。本実施形態における通信装置は、典型的には、地球を周回する人工衛星に搭載される。また、通信装置は、人工衛星に限られず、宇宙探査機、宇宙ステーションといったその他の宇宙機に搭載されてもよいし、航空機やドローンといった地上上空を移動する移動体に搭載されてもよい。以下、一例として、通信装置が人工衛星に搭載されるものとして説明する。

図１は、実施形態に係る通信装置を含む通信システム１の一例を示す図である。通信システム１は、例えば、通信装置を搭載した人工衛星ＳＡＴと、地上局２００とを備える。人工衛星ＳＡＴは、典型的には、電波、赤外線、可視光を用いて地球を観測する人工衛星であるが、地上局２００から発信された信号を中継する通信衛星や、無線報時信号を送信する航行衛星などの他の種類の人工衛星であってもよい。

例えば、人工衛星ＳＡＴは、予め決められた運用スケジュール（航行スケジュール）に従って地球の周囲の軌道に沿って航行しているため、地上局２００から見た人工衛星ＳＡＴの相対的な位置、すなわち人工衛星ＳＡＴの仰角は時間に応じて変動し、その仰角に応じた伝搬距離が一意に決定される。伝搬距離に応じた自由空間損失は、仰角が低く伝搬距離が長いほど大きく、仰角が高く伝搬距離が短いほど小さい。地上局２００は、例えば、人工衛星によって観測された情報を受信して解析したり、人工衛星に向けて信号を発信したりする。

図２は、実施形態に係る通信装置１００の構成の一例を示す図である。通信装置１００は、例えば、送信部１１０と、受信部１２０と、制御部１３０と、観測用センサ１４０と、記憶部１５０とを備える。人工衛星ＳＡＴが航行する宇宙空間では、専ら太陽光発電によって通信装置１００の電力を賄っており、その発電量は有限であることから、通信装置１００は、消費可能な最大電力量が制限された環境下で動作する。

送信部１１０は、例えば、テレメトリなどで利用されるような周波数帯（例えばセンチメートル波やミリ波）の電波を用いて地上局２００にデータを送信する。

図３は、送信部１１０の構成の一例を示す図である。図示の例のように、送信部１１０は、Ｎ個の送信機（送信回路）１１２と、加算器１１４と、増幅器１１６と、アンテナ１１８とを備える。例えば、ｎ番目の送信機１１２－ｎは、符号化部１１２－ｎ－１と、変調部１１２－ｎ－２と、送信電力制御部１１２－ｎ－３とを備える。ｎは１以上、且つＮ以下の任意の自然数である。

符号化部１１２－ｎ－１は、記憶部１５０に格納されたデータを、制御部１３０によって指示された符号化率で符号化する。

変調部１１２－ｎ－２は、符号化部１１２－ｎ－１によって符号化されたデータを、制御部１３０によって指示された変調方式で変調する。

送信電力制御部１１２－ｎ－３は、変調部１１２－ｎ－２によって変調されたデータを、制御部１３０によって指示された送信電力で出力する。以下では、符号化および変調が行われたデータのことを「信号」と称して説明する。

記憶部１５０から送信機１１２に入力されるデータは、所望の情報単位（例えばビット）で扱われる。データは、シリアルーパラレル変換によって１つのデータが分割され並列化されたデータであっても良いし、記憶部から独立に入力されるデータであっても良い。複数の送信機１１２のそれぞれは、互いにキャリア（搬送波）の位相または周波数が異なる。以下、変調方式が位相変調であるものとし、キャリアの周波数が互いに異なるものとして説明する。

加算器１１４は、各送信機１１２によって変調された信号を足し合わせ、増幅器１１６に出力する。

増幅器１１６は、加算器１１４によって足し合わされた信号の電力を増幅する。アンテナ１１８は、増幅器１１６によって増幅された信号を電波として地上へ向けて照射する。アンテナ１１８は、例えば、指向方向が制御可能なフェーズドアレイアンテナなどの複数のアンテナで構成してもよい。

受信部１２０は、地上局２００からテレコマンドなどで利用されるような周波数帯の電波を受信する。テレコマンドは、地上局２００から人工衛星ＳＡＴに指令を与えるために送られるコマンドである。

制御部１３０は、人工衛星ＳＡＴの運用スケジュールの時刻に基づいて、アンテナ１１８により送信される電波の余剰電力を導出し、その余剰電力に応じて、複数の送信機１１２のそれぞれについて、誤り訂正符号の符号化率、変調方式、および送信電力を決定する。そして、制御部１３０は、決定した符号化率、変調方式、および送信電力を示す制御情報を送信部１１０に送信する。

制御部１３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサが記憶部１５０に格納されたプログラムを実行することにより実現される。また、制御部１３０は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。また、プロセッサにより参照されるプログラムは、予め記憶部１５０に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、その記憶媒体が通信装置１００のドライブ装置に装着されることで記憶部１５０にインストールされてもよい。

人工衛星ＳＡＴでは、ＣＣＳＤＳやＥＴＳＩなどが定める標準規格に準拠した符号化率及び変調方式を利用して人工衛星ＳＡＴから地上局２００にデータを送信することが推奨されている。しかしながら、上述したように、人工衛星ＳＡＴの仰角が大きくなると伝搬距離が短くなるため、人工衛星ＳＡＴから送信されたデータが地上局２００で復元できることを保証するために最低限必要な電力を超える余分な電力、すなわち余剰電力が発生する。

従って、制御部１３０は、人工衛星ＳＡＴが地球を周回していることを考慮して、時刻から人工衛星ＳＡＴの仰角を導出し、更に、導出した仰角から余剰電力を導出する。例えば、制御部１３０は、運用スケジュールの時刻に対して余剰電力が対応付けられたテーブル或いは関係式を参照して、時刻から直接的に余剰電力を導出してもよいし、運用スケジュールの時刻に対して仰角が対応付けられたテーブル或いは関係式と、仰角に対して余剰電力が対応付けられたテーブル或いは関係式とを複合的に参照することで、時刻から間接的に余剰電力を導出してもよい。

例えば、制御部１３０は、人工衛星ＳＡＴが軌道に沿って周回しているときに、後述する観測用センサ１４０から出力された情報を基に余剰電力を導出してもよいし、受信部１２０が地上局２００から受信したテレコマンドを基に導出してもよい。或いは、観測用センサ１４０から出力された情報、及び受信部１２０が地上局２００から受信したテレコマンドを組み合わせて導出してもよい。

例えばＥＴＳＩが定める標準規格ＤＶＢ－Ｓ２（Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation）では、Frame Error Rate（ＦＥＲ）＝１Ｅ－５における１シンボル当りの信号電力対雑音電力スペクトル密度比（Ｅｓ／Ｎ_０）が解析によって求められており、誤り訂正符号の符号化率が５／６かつ変調方式がＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）の場合のＥｓ／Ｎ_０は５．１８［ｄＢ］、誤り訂正符号の符号化率が５／６かつ変調方式が８ＰＳＫの場合、Ｅｓ／Ｎ_０は９．３５［ｄＢ］と記載されている。

Ｅｓは、１符号（シンボル）当たりのエネルギーを表し、Ｎ_０は、１［Ｈｚ］あたりの雑音電力スペクトル密度を表し、Ｅｓ／Ｎ_０は、雑音電力スペクトル密度Ｎ_０に対する１符号当たりのエネルギーＥｓの比を表している。つまり、受け手側である地上局２００が変調されたデータを正常に復調できるように担保するために、帯域幅１［Ｈｚ］あたりの情報伝送速度（［ｂｉｔ］／［ｓ］）が大きい変調方式（周波数利用効率が高い変調方式）ほど、送信電力を大きくする必要があることを意味している。

図４は、仰角に対する自由空間損失の変化の一例を示す図である。図示のように、仰角が大きくなるほど、すなわち人工衛星ＳＡＴが地上局２００の真上に近づくほど、人工衛星ＳＡＴと地上局２００との間の伝搬距離が短くなるため、自由空間損失が低下する。そのため、仰角が大きいときに送信電力を小さくしたとしても、Ｅｓ／Ｎ_０が要求値を満たすことを意味している。

観測用センサ１４０は、地上から照射された、または反射した電波や赤外線、可視光などを検出することで、地球を観測するセンサである。観測用センサ１４０は、例えば、電波を受信するアンテナや、地表から照射された可視光や赤外線を検出するカメラなどである。観測用センサ１４０は、観測結果を示す信号を制御部１３０が利用可能なデータ形式に変換したのち、制御部１３０に出力する。

記憶部１５０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などによって実現される。記憶部１５０には、例えば、地上局２００に送信されるデータが格納される。

（変調方式の決定方法の説明）
以下、余剰電力に応じた変調方式の決定方法の詳細について説明する。まず、周波数軸上に並べたＮ個のキャリア（搬送波）、すなわち、互いに周波数が異なるＮ個のキャリアをキャリア１、キャリア２、…、キャリアｎ、…、キャリアＮと定義する。Ｎは２以上の自然数である。以下、簡単のため、変調方式を可変とする例について説明するが、誤り訂正符号の符号化率を可変とする、もしくは符号化率と変調方式との双方を可変とする場合においても同様である。

キャリア分割を行わず単一のキャリア（Ｎ＝ｎ＝１）で観測データを伝送する場合、ディジタル変調方式の変調次数を２^ｍから２^ｍ＋１（例えばＱＰＳＫから８ＰＳＫ）に切り替えるために必要な受信Ｃ／Ｎ_０（（Ｃ／Ｎ_０）_{ｎ，ｍ＋ｌ}）［真数］は、数式（１）のように表される。

ここで、Ｃは受信信号電力を表し、Ｎ_０は雑音電力スペクトル密度を表している。また（Ｃ／Ｎ_０）_ｍ＋ｌは次数２^ｍ＋１の変調方式に必要な受信Ｃ／Ｎ_０（受信信号電力対雑音電力スペクトル密度比）を表している。

一方、本実施形態において、ｎ個のキャリアの変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替え、かつ（Ｎ－ｎ）個のキャリアの変調方式の次数を２^ｍのままとするために最低限に必要な受信Ｃ／Ｎ_０（（Ｃ／Ｎ_０）_{ｎ，ｍ＋ｌ}）［真数］は数式（２）のように表される。

ここで、ｎは、１以上、且つＮ以下の自然数である。また、（Ｃ／Ｎ_０）_ｍは次数２^ｍの変調方式に必要な受信Ｃ／Ｎ_０表している。また、｛（Ｃ／Ｎ_０）_ｍ＋１－（Ｃ／Ｎ_０）_ｍ｝は全キャリアの変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替えるために必要な受信Ｃ／Ｎ_０の増加量を表している。本実施形態では、ｎ／Ｎの割合で変調方式を切り替える時に必要な受信Ｃ／Ｎ_０の増加量を制御できる。そのため、ｎ個のキャリアのみ変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替える場合、キャリアの分割数Ｎを増加させるほど、より小さな受信Ｃ／Ｎ_０で変調方式の切替が可能となる。

ｎ個のキャリアの変調方式の変調次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替える場合、周波数利用効率η_{ｎ，ｍ＋１}［ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ］は、数式（３）によって表される。

図５は、本実施形態の手法と従来手法とを比較した図である。図示のように、従来では次の変調方式の要求Ｃ／Ｎ_０に達するまで固定であった周波数利用効率ηを、数式（３）のようにキャリア分割数Ｎに応じて段階的に向上させることが可能となり、結果として通信装置１００の伝送容量を増大させることができる。

各キャリアの受信Ｃ／Ｎ_０は、それぞれ仰角θの上昇に応じて増加し、下降に応じて減少する。そのため、制御部１３０は、受信Ｃ／Ｎ_０が増加し一定値を超えたタイミングで、キャリア１のみ出力電力を増加させ、その他のキャリアの出力電力を減少させる。

この場合、受信Ｃ／Ｎ_０（余剰電力が発生）は、仰角θの上昇による増加分、及び集約させた出力電力の分だけ更に増加するため、制御部１３０は、電力を集中させたキャリア１の変調方式を、高い要求Ｃ／Ｎ_０が必要な高次の変調方式に決定し直したり、または高符号化率の変調方式に決定し直したりする。

この際、キャリア１の余剰電力は０となる。一方（総出力電力一定の条件においては）、出力電力操作によりキャリア１以外のキャリアの出力電力は減少するものの、仰角θの上昇により受信Ｃ／Ｎ_０が上昇しているため、その分が相殺する。この結果、元の符号化率・変調方式を維持するために必要な要求Ｃ／Ｎ_０が満たされる。すなわち、制御部１３０は、キャリア１に電力を分けた他のキャリアの変調方式は変えずにそのままを維持する。

制御部１３０は、仰角θが上昇するにつれて、キャリア２，キャリア３，…，キャリアＮと順に符号化率または変調方式を切り替えていくことで、全てのキャリアが次の符号化率または変調方式に切り替わるまでの期間、キャリアの分割数Ｎだけ符号化率・変調方式を密に切り替えていくことができる。この結果、仰角θ毎に余剰電力を減少させながら、大容量のデータを送信することができる。

キャリア分割を行わず１つのキャリアのみで伝送する場合、変調次数２^ｍ、変調次数２^ｍ＋１のディジタル変調方式の要求Ｃ／Ｎ_０は、数式（４）、（５）によって表される。

ここで、Ｐは送信機の出力電力、Ｇは送信側アンプや送受信アンテナ利得、給電損失等の機器による総合利得、θは運用時の仰角、Ｌ（θ）は仰角θに応じた自由空間伝搬損失である。なお、低軌道で地球を周囲する人工衛星ＳＡＴではＬ（θ）は仰角θの上昇と共に増加し、下降と共に減少していく。また、θ_ｍは、変調次数２^ｍの変調方式に切り替えるために必要な最低受信Ｃ／Ｎ_０が得られる仰角であり、θ_ｍ＋１は、変調次数２^ｍ＋１の変調方式に切り替えるために必要な最低受信Ｃ／Ｎ_０が得られる仰角である。

雑音電力スペクトル密度Ｎ_０は、一般的に地上局の機器構成により決まり、ゼロではなく、かつ仰角θが変化しても常に一定とみなせるため、両辺にＮ_０を掛けることで、数式（４）、（５）は、数式（６）、（７）のように受信電力の単位に変換して表すことができる。以降は式（６）、（７）のように受信電力Ｃの形式で説明する。

ここで、変調次数２^ｍ、変調次数２^ｍ＋１に対応した自由空間損失の差分ΔＬを数式（８）のように定義する。

このとき、変調次数２^ｍ＋１の要求受信電力は、自由空間損失の差分ΔＬを用いて、数式（９）のように表すことができる。

一方、キャリアをＮ個に分割する場合、１キャリア当りのシンボルレートは１／Ｎとなり、１キャリア当りの要求受信電力もｌ／Ｎとなるため、１キャリア当りの変調次数２^ｍ＋１の要求受信電力は、数式（１０）のように表すことができる。

よって、変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替えるために必要な１キャリア当りの自由空間損失の差分ΔＬもΔＬ／Ｎとなる。

（キャリアごとの余剰電力の配分）
以下、キャリアごとに余剰電力をどのように配分していくのかを図を参照しながら説明する。図６は、キャリア毎の電力分配を模式的に示す図である。図示の例では、Ｎ＝３であり、ＱＰＳＫから８ＰＳＫに変調方式を変更する場合について示している。

本実施形態とは異なりキャリア分割を行わない場合、変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替えるためには、自由空間損失の差分がΔＬに達することが必要であった。すなわち、仰角がθ_ｍ＋１に上昇することが必要であった。

一方、本実施形態のようにキャリアをＮ個に分割する場合、切替に必要な１キャリア当りの自由空間損失の差分がΔＬ／Ｎとなるため、仰角がθ_ｍ＋１に上昇する前の段階で各キャリアに生じた余剰電力を１つのキャリアに集約させることができる。そのため、制御部１３０は、自由空間損失の差分がΔＬ／Ｎに達した時点で、キャリア１のみ先行して変調方式を、高い受信電力Ｃが必要な高次の変調方式に決定し直したり、または高符号化率の変調方式に決定し直したりする。余剰電力の配分を行った後、各キャリアの余剰電力は全て０となる。

制御部１３０は、キャリア１と同様に、キャリア２，３，…，Ｎについても同様の処理を行って変調方式を決定する。このように、一部のキャリアに電力を集約し、電力を集約したキャリアの変調方式を切り替えるため、キャリアの数Ｎが増加するほど、切り替えに必要な自由空間損失の差分は線形的に増加していくことになる。ｎ番目までのキャリアを先行して高次の変調方式に切り替えるために必要な自由空間損失の差分をΔＬ_ｎとすると、ΔＬ_ｎとΔＬの関係は数式（１１）のように表される。

数式（６）の両辺にＧＰを掛け合わせると、数式（１２）となる。

数式（１２）は数式（１３）のように式変形することができる。

このようにｎ個のキャリアの変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替える場合に必要な受信電力Ｃを導出することができる。

Ｎ番目までのキャリアの変調方式の切替が完了した（Ｎ回目までの電力操作が終了した）時点で、全キャリアの変調方式の次数が２^ｍから２^ｍ＋１へ切り替わっている。このときの仰角はθ_ｍ＋１である。これ以降は変調次数２^ｍ＋１から２^ｍ＋２への切替フェーズに移行し、以後上記操作を繰り返す。

次に実際に操作する送信部１１０の出力電力の値について説明する。１個のキャリアの変調方式の次数を２^ｍから２^ｍ＋１に切り替える場合に必要な受信電力Ｃ_{１，ｍ＋１}は数式（１４）に示すように、２項に分けて表すことができる。

式（１４）の第一項はキャリア１の受信電力、第二項はキャリア２からキャリアＮの受信電力の合計をそれぞれ表している。またそれぞれの受信電力については、変調次数２^ｍ＋１、２^ｍの要求受信電力、仰角θの上昇に伴う余剰電力、電力操作により分配する電力量に分類できる。数式（１４）より、キャリア１については電力操作により受信電力を合計で（（Ｎ－１）ΔＬＧＰ／Ｎ^２）追加することで変調次数２^ｍ＋１の要求受信電力を満たすことができ、またキャリア２からキャリアＮについては電力操作により受信電力がそれぞれ（ΔＬＧＰ／Ｎ^２）差し引かれたとしても２^ｍの要求受信電力を維持できることが分かる。

同様に、ｎ個のキャリアの変調方式の変調次数を２^ｍから２^ｍ＋１へ切り替える場合に必要な受信電力Ｃ_{ｎ，ｍ＋１}は数式（１５）に示す通りである。

ｎ個のキャリアの変調方式の次数２^ｍから２^ｍ＋１へ切り替える場合についても、キャリア１からキャリアｎについては電力操作により受信電力をそれぞれ（（Ｎ－ｎ）ΔＬＧＰ／Ｎ^２）追加することで変調次数２^ｍ＋１の要求受信電力を満たすことができる。また、キャリアｎ＋ｌからキャリアＮについては電力操作により受信電力がそれぞれ（ｎΔＬＧＰ／Ｎ^２）差し引かれたとしても２^ｍの要求受信電力を維持できることが分かる。

以上により、ｎ個のキャリアの変調方式の変調次数を２^ｍから２^ｍ＋１へ切り替える場合に必要な受信電力Ｃ_{ｎ，ｍ＋１}、及び変調方式を切り替える際に必要な電力操作の操作量を導出することを示した。

（通信装置の処理フロー）
以下、実施形態に係る通信装置１００による一連の処理の流れを、フローチャートを用いて説明する。図７は、実施形態に係る通信装置１００による一連の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

はじめに、制御部１３０は、運用計画を基に仰角θの初期値を決定する（ステップＳ１００）。

次に、制御部１３０は、変調次数の初期値（ｍ＝ｍо）を設定する（ステップＳ１０２）。ここで、ｍоは送信機１１２が設定可能な変調次数の最小値である。

次に、制御部１３０は、変調方式を切り替える対象のキャリア数の初期値（ｎ＝１）を設定する（ステップＳ１０４）。

次に、制御部１３０は、仰角θが最大か否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部１３０は、仰角θが最大である場合、本フローチャートの処理を終了する。

一方、仰角θが最大に達していない場合、制御部１３０は本フローチャートの処理を継続する。制御部１３０は、受信電力Ｃ［真数］が数式（１６）を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０８）。受信電力Ｃが数式（１６）を満たさない場合、仰角θを上昇させる（ステップＳ１１０）。仰角θの上昇と共に各キャリアとも自由空間伝搬損失の差分が増加し、それに伴って受信電力も増加していく。

一方、受信電力Ｃが数式（１６）を満たす場合、制御部１３０は、出力電力を分配する操作（ステップＳ１１２からステップＳ１１６）を実施する。具体的には、制御部１３０は、変調方式を切り替える対象キャリア以外の出力電力を低下させ（ステップＳ１１２）、低下させた分の電力を、対象キャリアの出力電力に集約させる（ステップＳ１１４）。この結果、対象キャリアは元々有している信号電力に加え他キャリアから分配される電力増加により、受信電力Ｃが変調次数２^ｍ＋１の要求受信電力（Ｃ_ｍ＋１）を満たすため、制御部１３０は、対象キャリアの変調方式を次の変調方式（次に次数が高い変調方式）に切り替える（ステップＳ１１６）。一方、その他のキャリアは、信号電力を低下させた状態であっても、元々有している信号電力が仰角θの上昇により増加しているため、元の要求受信電力（Ｃ_ｍ）を満たす。従って、制御部１３０は、他のキャリアの変調方式は変更せずに現在の変調方式を維持する。対象キャリアの変調方式を切り替えた後、全キャリアの余剰電力は０になる。

次に、制御部１３０は、対象キャリア数をｎからｎ＋１へ切り替える（ステップＳ１１８）。次に、制御部１３０は、１からＮまでの全てのキャリアを処理対象として選択したか否かを判定し（ステップＳ１２０）、まだ全てのキャリアを処理対象として選択していない場合、つまりｎ≦Ｎの場合、上記のステップＳ１０６からステップＳ１１８までの処理を繰り返し実行する。

一方、１からＮまでの全てのキャリアを処理対象として選択した場合、つまりｎ＞Ｎの場合、制御部１３０は、次の変調方式切替フェーズ（２^ｍ＋１から２^ｍ＋２）へ移行する（ステップＳ１２２）。制御部１３０は、Ｓ１０４に処理を戻し、変調方式の切替対象のキャリア数をｎ＝１に初期化する。

制御部１３０は、２^ｍから２^ｍ＋1，２^ｍ＋１から２^ｍ＋２，…と、最大仰角に達するまでステップＳ１０４からステップＳ１２２の処理を繰り返す。最大仰角に達した時点で、本フローチャートの処理が終了する。

なお、上記のフローチャートでは、仰角θが上昇するときの制御例について説明したが、仰角θが下降するときは、仰角θが上昇する時と反対の操作を行うことで、変調方式の切替を実施する。この場合、最低仰角に到達するまで操作を続け、最低仰角に達した時点で処理を終了する。

また上記のフローチャートでは、運用計画を基に仰角θを決定する方法を例に説明したが、その他に実際に受信した受信電力Ｃを基に仰角θを決定してもよいし、２つの決定方法を併用してもよい。

以上説明した実施形態によれば、人工衛星ＳＡＴ（移動体の一例）に搭載される通信装置１００が、複数の搬送波を用いてデータを変調し、変調したデータを地上局に送信し、データを送信する際に生じる余剰電力を導出し、余剰電力に応じて、データに対する誤り訂正符号の符号化率及びデータの変調方式の少なくとも一方を、複数の搬送波のそれぞれについて決定し、搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、データを送信する際に要する電力を搬送波ごとに決定するため、更なるデータ伝送の高速化、及び大容量化を実現することができる。

伝送容量は、符号化率・変調方式切替時の余剰電力を考慮する場合に更に増加する。この余剰電力は、軌道決定精度の誤差等により、予測される受信Ｃ／Ｎ_０に誤差が含まれる場合においても通信品質を維持するための余剰電力として伝搬損失とは別に計上することがある。そのため、伝搬損失による余剰電力と同様に切替による余剰電力についても本実施形態の手法の適用対象とすることができる。

また要求伝送容量が同一である場合、本実施形態の手法の適用により、従来例と比較して、より低い受信電力で要求伝送容量を達成可能となる。これにより、例えば従来ＴＷＴＡ（Traveling Wave Tube Amplifier）を利用していたところを、より低価格、低質量なＳＳＰＡ（Solid State Power Amplifier）に変更可能となり、衛星のシステムリソースを大幅に削減可能となる。

（変形例）
以下、上述した実施形態の変形例について説明する。上述した実施形態では、切替変調方式としてＡＰＳＫ（Amplitude& Phase Shift Keying：振幅位相変調）を例示したがこれに限られず、他の変調方式であってもよい。例えば、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation：直交振幅位相変調）を用いてもよい。

図８は、ＱＡＭの信号空間ダイヤグラムの一例を表す図である。図示の例では、１６ＱＡＭの信号空間ダイヤグラムを示している。変調方式にＱＡＭを採用する場合、仰角θの変動に応じて、１６ＱＡＭ，３２ＱＡＭ，６４ＱＡＭ、…と変調方式を切り替えていく運用を実施すればよい。

また、上述した実施形態の通信装置１００は、適応符号化変調（Adaptive Coding & Modulation：ＡＣＭ）技術を用いた通信システムやマルチチャネルを用いた通信システムにも適用可能である。ここでは、ＡＣＭ技術を用いた通信システムへの実用例を説明する。ＡＣＭは降雨減衰や自由空間損失等の通信環境の変動に対して適応的に誤り訂正符号化率・変調方式を変更する技術であり、降雨減衰等により回線状況が変動する場合（晴天時において余剰電力が生じる場合）、受信信号に応じて符号化率・変調方式を切替えることで、その変化に応じて最適な符号化率・変調方式が適用可能となる。

従来では変調方式の変調次数を２^ｍから２^ｍ＋１へ切り替えるために必要な余剰電力に対して回線状況の変動量が満たない場合、符号化率・変調方式の切替が実施できなかった。そのため、本実施形態の技術を適用することにより、符号化率・変調方式切替時に必要な要求Ｃ／Ｎ_０を細分化する。それによってより細かな回線状況の変動に応じて符号化率・変調方式を切り替えることが可能となり、結果、伝送レートの向上、通信回線の信頼性向上（稼働率向上）が実現可能となる。

また、本実施形態の技術は、特許文献２に例示されるような共通増幅技術との併用も可能である。地球観測衛星直接伝送系のような１ユーザ単独での広帯域伝送の場合、これまではデバイスのリソースを削減するため１キャリアでの伝送が主であったが、Ｋａ帯で割り当てられているような１．５［ＧＨｚ］の広帯域伝送の場合、現行のデバイス技術では変復調器共に１キャリアでの対応周波数帯域に限界があるため、マルチキャリア共通増幅の適用が必要とされている。マルチキャリア共通増幅適用時は、全てのキャリアのアンプ利得が一定となるため、アンプ入力電力が一定の場合、キャリア毎のアンプ出力を可変にすることが不可能であった。そこで本発明においてアンプ入力前の変調器出力部の電力を制御する手法をとることで、キャリア毎のアンプ入力電力を可変にすることを可能とし、マルチキャリア共通増幅によってデバイスの搭載リソースを低減しつつ、本手法によって通信システム１を最大化し伝送容量を増大させることが可能になる。

上記説明した実施形態は、以下のように表現することができる。
複数の搬送波を用いてデータを変調し、前記変調したデータを地上局に送信するトランスミッタと、
プログラムを格納したストレージと、
プロセッサと、を備え、
前記プロセッサが前記プログラムを実行することにより、
前記トランスミッタによって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、
前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定し、
前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記トランスミッタがデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する、
ように構成されている、通信装置。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

１００…通信装置、１１０…送信部、１２０…受信部、１３０…制御部、１４０…観測用センサ、１５０…記憶部、２００…地上局、ＳＡＴ…人工衛星

Claims (9)

1. 複数の搬送波を用いてデータを変調し、前記変調したデータを地上局に送信する送信部と、
   前記送信部によって前記データが送信される際に生じる余剰電力を導出し、前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定し、
   前記制御部は、前記地上局から見た仰角に基づいて前記余剰電力を導出する、
   通信装置。
2. 前記制御部は、移動体の運用スケジュールの時刻に基づいて前記仰角を導出し、前記導出した仰角に基づいて前記余剰電力を導出する、
   請求項１に記載の通信装置。
3. 前記制御部は、
   前記余剰電力が大きくなるほど、前記データの変調方式を、より送信可能な情報量の多い変調方式に決定する、
   または、前記余剰電力が大きくなるほど、より小さな前記符号化率に決定する、
   請求項１又は２に記載の通信装置。
4. 前記制御部は、前記複数の搬送波のうち、一部の搬送波を用いる第１変調方式を、他の搬送波を用いる第２変調方式に比して送信可能な情報量の多い変調方式に決定し、
   前記送信部は、前記余剰電力の範囲内で、前記第１変調方式を用いて変調した第１データの送信電力を、前記第２変調方式を用いて変調した第２データの送信電力に比して増加させる、
   請求項１から３のうちいずれか一項に記載の通信装置。
5. 前記送信部は、前記余剰電力の範囲内で、前記第１データの送信電力を増加させ、前記第２データの送信電力を減少させる、
   請求項４に記載の通信装置。
6. 前記送信部は、前記第２データの送信電力の減少分が、前記第１データの送信電力の増加分となるように、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する、
   請求項５に記載の通信装置。
7. 使用可能な電力が制限された移動体に搭載される、
   請求項１から６のうちいずれか一項に記載の通信装置。
8. 複数の搬送波を用いてデータを変調し、前記変調したデータを地上局に送信する送信部を備える移動体に搭載されるコンピュータが、
   前記送信部によって前記データを送信する際に生じる余剰電力を導出し、
   前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定し、
   前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定し、
   前記地上局から見た仰角に基づいて前記余剰電力を導出する、
   通信方法。
9. 複数の搬送波を用いてデータを変調し、前記変調したデータを地上局に送信する送信部を備える移動体に搭載されるコンピュータに、
   前記送信部によって前記データを送信する際に生じる余剰電力を導出する処理と、
   前記導出した余剰電力に応じて、前記データに対する誤り訂正符号の符号化率および前記データの変調方式の少なくとも一方を前記複数の搬送波のそれぞれについて決定する処理と、
   前記搬送波ごとに決定した符号化率及び変調方式の少なくとも一方に応じて、前記送信部がデータを送信する際に要する電力を、前記搬送波ごとに決定する処理と、
   前記地上局から見た仰角に基づいて前記余剰電力を導出する処理と、
   を実行させるためのプログラム。

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