JP7296236B2 - Ｈａｐｓ通信システムにおけるマルチフィーダリンク構成及びその制御 - Google Patents

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Description

本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の空中浮揚型の無線中継装置のマルチフィーダリンク構成及びその制御に関するものである。
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知られている（例えば、特許文献１参照）。この空中浮揚型の通信中継装置における通信回線は、その通信中継装置と移動通信網側のゲートウェイ（ＧＷ）局との間のフィーダリンクと、通信中継装置と端末装置との間のサービスリンクとで構成される。
米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書
上記空中浮揚型の通信中継装置と地上のＧＷ局との間のフィーダリンクの無線伝搬路における局所的な降雨や降雪、通信中継装置の飛行移動や回転、ＧＷ局の保守等があると、前記フィーダリンクの無線通信品質が低下し、そのフィーダリンクに対応するセルと通信中継装置との間のサービスリンクの通信品質が低下するおそれがある。
本発明の一態様に係る通信中継装置は、端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置である。前記通信中継装置は、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うフィーダリンク通信部と、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させるように、前記サービスリンク通信部を制御する制御部と、を備える。
前記通信中継装置において、前記制御部は、前記第１セルに接続していた端末装置の前記形状が変更された第２セルへのハンドオーバが終了した後、前記第１セルへの送信を停止するように制御してもよい。
また、前記通信中継装置において、前記制御部は、前記無線通信品質の低下が解消した後、前記形状が変更された第２セルを元の形状に戻すように前記サービスリンク通信部を制御してもよい。
本発明の他の態様に係る通信中継装置は、端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置である。前記通信中継装置は、共通エリアに形成される第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局と無線通信するフィーダリンク通信部と、前記共通エリアの第１セル及び第２セルの少なくとも一方のサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、前記第２ゲートウェイ局との通信を停止した状態で前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２ゲートウェイ局との通信を開始するように、前記フィーダリンク通信部を制御する制御部と、を備える。
前記通信中継装置において、前記制御部は、前記第２ゲートウェイ局とのフィーダリンクの通信を開始し、前記第１セルに接続していた端末装置の前記第２セルへのハンドオーバが終了した後、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの通信を停止するように、前記フィーダリンク通信部を制御してもよい。
前記通信中継装置において、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下は、そのフィーダリンクの伝搬路における降雨又は降雪による信号減衰の増大、前記第１ゲートウェイ局の保守動作、当該通信中継装置の飛行経路の変化及び当該前記通信中継装置の姿勢変化の少なくとも一つに起因した無線通信品質の低下を含んでもよい。
前記通信中継装置において、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、前記第１ゲートウェイ局の保守予定情報、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの受信レベルを含むモニタリング情報、当該通信中継装置の飛行経路情報、当該通信中継装置の位置情報及び当該通信中継装置の姿勢情報の少なくとも一つの情報を取得する情報取得部を更に備え、前記制御部は、前記情報取得部で取得した情報に基づいて、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下を判断してもよい。
前記通信中継装置において、遠隔制御装置から制御情報を受信する制御情報受信部を更に備え、前記制御部は、前記制御情報受信部で受信した制御情報に基づいて制御してもよい。
本発明の更に他の態様に係る通信制御装置は、前記通信中継装置を遠隔制御する遠隔制御装置である。
また、本発明の更に他の態様に係る通信システムは、通信中継装置と、前記通信中継装置を遠隔制御する遠隔制御装置とを備える通信システムである。
前記遠隔制御装置は、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、前記第１ゲートウェイ局の保守予定情報、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの受信レベルをモニタリングモニタ情報、前記通信中継装置の飛行経路情報、前記通信中継装置の位置情報及び前記通信中継装置の姿勢情報の少なくとも一つの情報を取得する情報取得部と、前記情報取得部で取得した情報に基づいて、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下を判断し、前記フィーダリンク通信部及び前記サービスリンク通信部を制御するための制御情報を生成する制御情報生成部と、前記通信中継装置に前記制御情報を送信する制御情報送信部と、を備える。
ここで、前記通信システムは、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局と、前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局と、を更に備えてもよい。
また、本発明の更に他の態様に係る通信システムは、前記通信中継装置と、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局と、前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局と、を備える。
前記通信システムにおいて、前記第２セルの形状の変更が完了した後、又は、前記通信中継装置と前記第２ゲートウェイ局とのフィーダリンクの通信が開始した後、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記第１セルに接続している複数の端末装置を順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行してもよい。
前記通信システムにおいて、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記ハンドオーバの処理期間に、前記端末装置との間のユーザデータ信号の通信を停止してもよい。
本発明の更に他の態様に係る通信方法は、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局における通信方法である。前記通信方法は、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うことと、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させることと、を含む。
本発明の更に他の態様に係る通信方法は、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局における通信方法である。前記通信方法は、共通エリアに形成される第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局と無線通信することと、前記共通エリアの第１セル及び第２セルの少なくとも一方のサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、前記第２ゲートウェイ局との通信を停止した状態で、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２ゲートウェイ局との通信を開始することと、を含む。
本発明の更に他の態様に係るプログラムは、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局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。前記プログラムは、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うためのプログラムコードと、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するためのプログラムコードと、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させ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、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局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。前記プログラムは、共通エリアに形成される第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局と無線通信するためのプログラムコードと、前記共通エリアの第１セル及び第２セルの少なくとも一方のサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するためのプログラムコードと、前記第２ゲートウェイ局との通信を停止した状態で、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質が低下したとき又は前記無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２ゲートウェイ局との通信を開始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とゲートウェイ局との間のフィーダリンクの伝搬路における信号減衰が増大に起因したサービスリンクの通信品質の低下を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳのマルチフィーダリンク構成の一例を示す説明図。 実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳのセル構成の他の例を示す説明図。 図２のセル構成におけるフィーダリンク及びサービスリンクの周波数配置の説明図。 ＨＡＰＳのマルチフィーダリンク構成のフィーダリンクにおける局所降雨の影響の一例を示す説明図。 実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の主要構成の一例を示すブロック図。 実施形態に係るＨＡＰＳにおけるサービスリンクのセル形状制御の一例を示すフローチャート。 図６の制御例における事前情報取得の一例を示す説明図。 図６の制御例における第２セルのセル形状変更の一例を示す説明図。 図６の制御例における第１セルから第２セルへのハンドオーバ制御の一例を示す説明図。 図６の制御例におけるサービスリンク送信電力の時間変化の一例を示す説明図。 図６の制御例におけるハンドオーバ元のセルのサービスリンク送信停止の一例を示す説明図。 他の実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＧＷ局の切り替え制御の一例を示すフローチャート。 図１２の制御例における事前情報取得の一例を示す説明図。 図１２の制御例における通常使用の第１ＧＷ局から予備の第２ＧＷ局への切り替えの一例を示す説明図。 図１２の制御例における第１セルから第２セルへのハンドオーバ制御の一例を示す説明図。 図１２の制御例におけるハンドオーバ元のセルのサービスリンク送信停止の一例を示す説明図。
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。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳ２０のセル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、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
図１に示すように、通信システムは、複数の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）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端末装置６１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。）２１５により、移動局である端末装置６１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。端末装置６１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それぞれ３次元セルである第１セル２００Ｃ（１）及び第２セル２００Ｃ（２）である。図中の端末装置６１（１）は第１セル２００Ｃ（１）に在圏し、端末装置６１（２）は第２セル２００Ｃ（２）に在圏している。セル形成目標空域において３次元な第１セル２００Ｃ（１）及び第２セル２００Ｃ（２）それぞれを形成する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）側の複数の第１基地局７５（１）及び第２基地局７５（２）に接続された中継局（リピーター親機）としての複数のゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。以下「ＧＷ局」という。）７０（１），７０（２）と無線通信するリピーター子機である。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。）２１１（１），２１１（２）により無線通信可能な地上又は海上に設置された第１ＧＷ局７０（１）及び第２ＧＷ局７０（２）並びに第１基地局７５（１）及び第２基地局７５（２）を介して、移動通信網のコアネットワーク８０に接続されている。ＧＷ局７０（１），７０（２）は地上又は海上の互いに異なる地点に配置されている。また、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１とＧＷ局７０（１），７０（２）との間のフィーダリンクの通信は、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。
複数のＧＷ局７０（１），７０（２）はそれぞれ、空中で移動するＨＡＰＳ２０を追尾するように自局のアンテナ（以下「ＧＷアンテナ」という。）７１（１），７１（２）を制御してもよい。ＧＷアンテナ７１（１），７１（２）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１），７１（２）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。
ＧＷアンテナ７１（１），７１（２）の指向性ビームの制御方式としては、ジンバル方式、電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）、電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）など、各種の方式を用いることができる。
第１基地局７５（１）及び第２基地局７５（２）はそれぞれ、例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢの場合、遠隔無線装置（ＲＲＨ（Remote Radio Head）。ＲＲＵ（Remote Radio Unit）ともいう。）７６（１），７６（２）及びベースバンド処理装置（ＢＢＵ（Base Band Unit））７７（１），７７（２）で構成されている。なお、ＲＲＨ７６（１），７６（２）とＢＢＵ７７（１），７７（２）とはそれぞれ、光ファイバー回線で接続し、互いに離して配置してもよい。また、複数のＢＢＵ７７（１），７７（２）は集約して一箇所に設けてもよい。
ＲＲＨ７６（１），７６（２）はそれぞれ、例えば、直交変復調部と送信部と受信部と電力増幅器（ＰＡ（Power Amplifier））とローノイズ受信機（ＬＮＡ（Low Noise Amplifier））とを備え、ＧＷ局７０（１），７０（２）に接続されている。直交変復調部は、ＢＢＵで処理されるＯＦＤＭ信号を直交変復調し、アナログ信号（ＲＦ信号）に変換する。送信部は、直交変復調部で生成されたＲＦ信号の周波数を電波として送出する周波数に変換する。受信部は、受信した電波の高周波信号の周波数を直交変復調部で処理する周波数に変換する。電力増幅器（ＰＡ）は、送信部で生成したＲＦ信号を電力増幅する。ローノイズ受信機（ＬＮＡ）は、受信した微弱電波を増幅して受信部に渡す。
ＢＢＵ７７（１），７７（２）はそれぞれ、例えば、基地局制御部と伝送路インターフェース部とタイミング制御部とベースバンド部とを備え、所定のインターフェース（例えば、Ｓ１インターフェース）を介して移動通信網のコアネットワーク８０に接続されている。基地局制御部は、基地局全体の制御および呼制御のプロトコルや制御監視を行う。伝送路インターフェース部は、コアネットワーク等との間のイーサネット（登録商標）などのパケット伝送路が接続され、所定のプロトコルを処理してＩＰパケットの授受を行う。タイミング制御部は、パケット伝送路を介して受信した信号又は人工衛星からのＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）受信信号から抽出した基準クロックに基づいて基地局内部で使用する各種クロックを生成する。ベースバンド部は、伝送路インターフェース部を通して授受するＩＰパケットと無線信号であるＯＦＤＭ信号（ベースバンド信号）の変換（変復調）を行う。
ＨＡＰＳ２０はそれぞれ、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が制御プログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ自体の浮揚移動（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はそれぞれ、ＨＡＰＳ自体の現在位置情報（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、複数のＨＡＰＳ２０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理は、移動通信網のコアネットワーク８０に接続された通信センター等に設けられた遠隔制御装置としての中央制御サーバ８５によって制御できるようにしてもよい。中央制御サーバ８５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。この場合、ＨＡＰＳ２０は、中央制御サーバ８５からの制御情報を受信したり中央制御サーバ８５等の所定の送信先に監視情報などの各種情報を送信したりするための後述の制御通信部（例えば、移動通信モジュール）を備える。制御通信部は、中央制御サーバ８５と間で通信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。ＨＡＰＳ２０の制御通信部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。
ＨＡＰＳ２０と中央制御サーバ８５との間の制御情報及び監視情報の送受信は、例えば、移動通信網のコアネットワーク８０と基地局７５とＧＷ局７０とを経由するＬＴＥの通信回線を介して行うことができる。また、制御情報及び監視情報の送受信は、人工衛星を介した移動通信の衛星回線を用いて行ってもよいし、インターネット９０と人工衛星とを介した衛星回線を用いて行ってもよい。
ＨＡＰＳ２０から送信する監視情報は、ＨＡＰＳ自体又は周辺の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がＧＷ局７０との間のフィーダリンクの受信電力を測定した受信レベルを含むモニタリング情報、及び、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の情報の少なくとも一つを含んでもよい。また、監視情報は、ＨＡＰＳ２０の現在位置及び姿勢情報、飛行経路情報（飛行スケジュール情報、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。制御情報は、ＨＡＰＳ２０の目標飛行ルート情報を含んでもよい。
ＨＡＰＳ２０及び中央制御サーバ８５は、フィーダリンクの無線伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、ＧＷ局７０又は基地局７５の保守予定情報、ＨＡＰＳ２０で測定されたＧＷ局７０とのフィーダリンクの受信レベルモニタ情報、ＨＡＰＳ２０の飛行経路情報、ＨＡＰＳ２０の現在位置情報及び姿勢情報を取得してもよい。これらの情報は、例えば、各情報を管理しているコアネットワーク（移動通信網）８０のサーバ又はインターネット９０のサーバから取得してもよい。また、中央制御サーバ８５は、ＧＷ局７０又は基地局７５の保守予定情報を、所定のインターフェース（例えば、ＬＴＥのＳ１インターフェース）により移動通信網のコアネットワーク８０を介してＧＷ局７０又は基地局７５から取得してもよいし、ＧＷ局７０又は基地局７５を管理する管理サーバから取得してもよい。
中継通信局２１と端末装置６１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、端末装置６１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タイプのＨＡＰＳ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。
また、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０（１），７０（２）それぞれを介した基地局７５（１），７５（２）との間のリンクを「フィーダリンク」ＦＬ（１），ＦＬ（２）といい、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１（１），６１（２）それぞれとの間のリンクを「サービスリンク」ＳＬ（１），ＳＬ（２）という。特に、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ２０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１からＨＡＰＳ２０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」ともいう。
図１において、ＨＡＰＳ２０は、例えば高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ２０が複数のセル２００Ｃ（１），２００Ｃ（２）を形成し、その複数セル（２セル）構成のセル２００Ｃ（１），２００Ｃ（２）のフットプリント２００Ｆ（１），２００Ｆ（２）が地上（又は海や湖などの水上）のサービスエリアになるが、これらの構成に限定されるものではない。例えば、ＨＡＰＳ２０で形成するセルの数は３以上であってもよい。また、複数のセル２００Ｃ（１），２００Ｃ（２）はそれぞれ、更に複数のセクタセルで構成されていてもよい。すなわち、サービスリンクＳＬ（１）が複数のセクタセルを含むセル２００Ｃ（１）に対応し、サービスリンクＳＬ（２）が他の複数のセクタセルを含むセル２００Ｃ（２）に対応してもよい。
図２は、実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳ２０のセル構成の他の例を示す説明図であり、図３は、図２のセル構成におけるフィーダリンク及びサービスリンクの周波数配置の説明図である。図２の例は６セル構成であり、第１ＧＷ局７０（１）を介した第１フィーダリンクＦＬ（１）が、３つのセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（３）（物理セルＩＤ＝１～３）のサービスリンクＳＬ（１）～ＳＬ（３）に対応している。また、第２ＧＷ局７０（２）を介した第２フィーダリンクＦＬ（２）が、上記３セルに隣接する別の３つのセル２００Ｃ（４）～２００Ｃ（６）（物理セルＩＤ＝４～６）のサービスリンクＳＬ（４）～ＳＬ（６）に対応している。
図３に示すように、各セル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（６）のサービスリンクＳＬ（１）～ＳＬ（６）の周波数帯ＦＳＬ（１）～ＦＳＬ（６）は一般に同一周波数バンドで設定される。一方、フィーダリンクＦＬ（１），ＦＬ（２）の周波数帯ＦＦＬ（１）～ＦＦＬ（６）については、サービスリンクに展開するセルの数に応じて、周波数軸上で直交するように配置される。従って、フィーダリンクの帯域は枯渇しやすい傾向にあり、これによってサービスリンクのセル数は制限をうけるおそれがある。
本実施形態では、図１～図３に例示するように、複数の地点に配置したＧＷ局７０（１），７０（２）によるフィーダリンクの空間多重を行うことにより、フィーダリンクの帯域幅を一定としたまま通信容量（キャパシティ）を増大可能であり、図２及び図３のようにサービスリンクのセルの数を増すことができる。
上記構成の本実施形態の通信システムにおいて、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局７０との間のフィーダリンクＦＬの無線伝搬路における局所的な降雨や降雪、ＨＡＰＳ２０の飛行移動や回転、ＧＷ局７０や基地局７５の保守等があると、フィーダリンクＦＬの無線通信品質が低下し、そのフィーダリンクに対応するセルとＨＡＰＳ２０との間のサービスリンクＳＬの通信品質が低下するおそれがある。
例えば、図４に示すように、ＨＡＰＳ２０と第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線伝搬路に局所的な降雨３０が発生すると、フィーダリンクＦＬ（１）の無線伝搬路における信号減衰が増大して無線通信品質が低下し、そのフィーダリンクＦＬ（１）に対応するセル２００Ｃ（１）とＨＡＰＳ２０との間のサービスリンクＳＬ（１）の通信品質が低下するおそれがある。フィーダリンクの無線通信品質の低下は、そのフィーダリンクの無線伝搬路における降雨又は降雪による信号減衰の増大だけでなく、ＧＷ局の保守動作、ＨＡＰＳ２０の飛行経路の変化、ＨＡＰＳ２０の姿勢変化等によっても発生する可能性がある。
そこで、本実施形態において、ＨＡＰＳ２０は、第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、第２セル２００Ｃ（２）の形状を第１セル２００Ｃ（１）の一部又は全体を含むまで変更させるように制御している。また、後述の他の実施形態において、ＨＡＰＳ２０は、バックアップ用の第２ＧＷ局７０（２）との通信を停止した状態で通常使用の第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、前記バックアップ用の第２ＧＷ局７０（２）との通信を開始するように制御している。これらの制御のいずれかにより、第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下した場合でも、又は、その無線通信品質の低下が予想される場合でも、第１セル２００Ｃ（１）に在圏して接続していた端末装置６１（１）を第２セル２００Ｃ（２）にハンドオーバさせて端末装置６１（１）とＨＡＰＳ２０との間のサービスリンクＳＬ（１）の通信品質を維持することができる。
図５は、実施形態に係るＨＡＰＳ２０の中継通信局２１の主要構成の一例を示す説明図である。図５において、中継通信局２１は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２と周波数変換部２２３と各部を制御する制御部２２４と制御通信部２２６を備える。
フィーダリンク通信部２２１は、ＦＬアンテナ２１１（１），２１１（２）を介してＧＷ局７０との間でフィーダリンク周波数ＦＦＬの無線信号を送受信する。ＦＬアンテナ２１１の数（Ｎ）及びＧＷ局７０の数（Ｎ）はそれぞれ同数（図示の例では２）であり、ＧＷ局７０（１），７０（２）に１対１で対応するように複数のＦＬアンテナ２１１（１），２１１（２）を設けている。
サービスリンク通信部２２２は、ＳＬアンテナ２１５を介して端末装置６１との間でサービスリンク周波数ＦＳＬの無線信号を送受信する。ＳＬアンテナ２１５は、サービスリンクのビームを形成するビームフォーマーを備え、サービスリンクのセル２００Ｃの形状を任意に変更することができる。また、ＳＬアンテナ２１５の数（Ｎ）及びＧＷ局７０の数（Ｎ）はそれぞれ同数（図示の例では２）であり、ＧＷ局７０（１），７０（２）に１対１で対応するように複数のＳＬアンテナ２１５を設けている。
制御部２２４は、ＧＷ局７０（１），７０（２）を追尾するようにＦＬアンテナ２１１（１），２１１（２）を制御してもよい。ＦＬアンテナ２１１（１），２１１（２）がＧＷ局７０（１），７０（２）を追尾することにより、ＨＡＰＳ２０の移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。ＦＬアンテナ２１１（１），２１１（２）の指向性ビームの制御方式としては、ジンバル方式、電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）、電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）など、各種の方式を用いることができる。
周波数変換部２２３は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２との間でフィーダリンク周波数ＦＦＬとサービスリンク周波数ＦＳＬとの周波数変換を行う。中継通信局２１で中継される無線信号は、例えば、ＬＴＥ又はＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠したＯＦＭＤＡ通信方式を用いて送受信してもよい。
制御部２２４は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより各部を制御することができる。例えば、制御部２２４は、第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、第２セル２００Ｃ（２）の形状を第１セル２００Ｃ（１）の一部又は全体を含むまで変更させるように、サービスリンク通信部２２２を制御する。また、制御部２２４は、バックアップ用の第２ＧＷ局７０（２）との通信を停止した状態で通常使用の第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、前記バックアップ用の第２ＧＷ局７０（２）との通信を開始するように、フィーダリンク通信部２２１を制御している。
制御通信部２２６は、例えば、ＬＴＥ又は次世代（例えば第５世代）の通信機能、衛星通信機能又はその両方の通信機能を有する移動通信モジュールで構成され、中央制御サーバ８５と間で通信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。制御通信部２２６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。
図６は、実施形態に係るＨＡＰＳ２０におけるサービスリンクのセル形状制御の一例を示すフローチャートである。なお、図６の例では、ＨＡＰＳ２０におけるサービスリンクのセル形状制御を中央制御サーバ８５から遠隔的に行っているが、ＨＡＰＳ２０自体が自律的に行ってもよい。
図６において、中央制御サーバ８５は、所定のタイミングで定期的に又は非定期に次の（Ｉ１）～（Ｉ３）に例示するフィーダリンクの通信品質に関する監視情報を取得する（Ｓ１０１。図７参照）。
（Ｉ１）フィーダリンクＦＬ（１），ＦＬ（２）の無線伝搬路を含むエリアの天気予報の情報
（Ｉ２）ＧＷ局７０（１），７０（２）及び基地局７５（１），７５（２）の保守予定情報
（Ｉ３）ＨＡＰＳ２０で測定されたＧＷ局７０（１），７０（２）との間のフィーダリンクＦＬ（１），ＦＬ（２）の受信レベルモニタ情報
次に、中央制御サーバ８５は、上記取得した監視情報に基づいて、例えば第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線伝搬路に局所的な降雨３０が発生し、その降雨３０による信号減衰の増大によりフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、第２セル２００Ｃ（２）の形状変更を指示する制御情報をＨＡＰＳ２０の中継通信局２１に送信する（ステップＳ１０２。図８参照）。
例えば、図８に示すように、中央制御サーバ８５は、無線通信品質が低下していない又はその無線通信品質の低下が予想されないフィーダリンクＦＬ（２）に対応する第２セル２００Ｃ（２）が、上記無線通信品質が低下した又はその無線通信品質の低下が予想されるフィーダリンクＦＬ（１）に対応する第１セル２００Ｃ（１）の全体をカバーするように、第２セル２００Ｃ（２）の形状を変更するビームフォーマー制御を指示する制御情報を、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１に対して送信する。
ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１の制御部２２４は、中央制御サーバ８５から受信した制御情報に基づいて、第２セル２００Ｃ（２）の形状（範囲）を徐々に変更して第２セル２００Ｃ（２）’が第１セル２００Ｃ（１）の全体をカバーするビームフォーマー制御を行うようにサービスリンク通信部２２２を制御する（Ｓ１０２）。この制御により、第２セル２００Ｃ（２）’のフットプリント２００Ｆ（２）’によって第１セル２００Ｃ（１）のフットプリント２００Ｆ（１）の全体がカバーされる。
次に、上記ＨＡＰＳ２０による第２セル２００Ｃ（２）’の形状の変更が完了した後、第１セル２００Ｃ（１）に在圏する端末装置６１（１）を第１セル２００Ｃ（１）から第２セル２００Ｃ（２）’にハンドオーバさせるハンドオーバ制御を行う（Ｓ１０３）。例えば、図９に示すように、中央制御サーバ８５が、上記ハンドオーバ制御を指示するＨＯ制御指示を第１セル２００Ｃ（１）の第１基地局７５（１）に送信する。第１基地局７５（１）のＢＢＵ７７（１）は、例えばＳ１インターフェースを介してハンドオーバ（ＨＯ）要求を第２セル２００Ｃ（２）の第２基地局７５（２）に送信するとともに、第１セル２００Ｃ（１）に接続した状態（例えば、ＬＴＥにおけるＲＲＣ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄの状態）になっている端末装置６１（１）に対して、ハンドオーバ（ＨＯ）コマンド（例えば、ＬＴＥにおけるＲＲＣ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）をＨＡＰＳ２０の中継通信局２１を介して送信する。ＨＯコマンドを受信して端末装置６１（１）と第２セル２００Ｃ（２）の第２基地局７５（２）との間の同期処理と、コアネットワーク８０のＭＭＥ及びＳ／Ｐ－ＧＷによるパス切り替え処理とが行われ、ハンドオーバ処理が完了する。
なお、第１セル２００Ｃ（１）に複数の端末装置６１（１）が在圏していた場合は、基地局７５（１），７５（２）やフィーダリンクＦＬ（１），ＦＬ（２）等の急激な負荷上昇を回避するために、複数の端末装置６１（１）を同時にハンドオーバさせるのではなく時間をずらしながら各端末装置６１（１）を順次第２セル２００Ｃ（２）’にハンドオーバさせるようにしてもよい。
また、第１セル２００Ｃ（１）に在圏する端末装置６１（１）を第２セル２００Ｃ（２）へハンドオーバさせる処理を行っている期間（以下「ハンドオーバ期間」という。）ＴＨＯに、第１セル２００Ｃ（１）に在圏する他の端末装置がデータ通信を行うとＨＯコマンドに対する干渉となりうるので、図１０に示すように、ハンドオーバ期間ＴＨＯは、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）におけるハンドオーバシーケンスに関係ないデータ通信（データチャネルの通信）を停止してもよい。端末装置のデータ通信を停止することにより、ＨＯコマンドに対する干渉を抑制できる。
次に、中央制御サーバ８５は、第１セル２００Ｃ（１）に在圏していた端末装置６１（１）（複数の端末装置が在圏していた場合は、そのすべての端末装置）の第２セル２００Ｃ（２）’へのハンドオーバが完了した後、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信停止を指示する制御情報をＨＡＰＳ２０の中継通信局２１に送信する（Ｓ１０４。図１１参照）。中継通信局２１は、中央制御サーバ８５から受信した制御情報に基づいて、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信を停止する。この送信停止により、中継通信局２１の電力消費を低減するともに、第２セル２００Ｃ（２）’に対する干渉を防止することができる。
なお、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信停止を行う場合、第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）からＨＡＰＳ２０の中継通信局２１へのフィーダリンクＦＬ（１）の送信は停止してもよいし、又は、そのまま継続して送信し続けてもよい。第１ＧＷ局７０（１）フィーダリンクＦＬ（１）の送信を続ける場合は、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は引き続きリアルタイムでフィーダリンクＦＬ（１）の受信レベルを測定してモニタできるため、局所的な降雨３０が終わった後にすぐに元のセル構成（例えば図１、図７参照）に戻すことができる。
その後、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１のモニタリングによりフィーダリンクＦＬ（１）の受信レベルが所定レベルまで回復したとき、又は、天気予報の情報によって前記受信レベルの回復が見込まれる場合などには、中央制御サーバ８５は、図６のＳ１０２～Ｓ１０４とは逆の手順により、初期状態に復帰する。例えば、中央制御サーバ８５は、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信を再開し、第１セル２００Ｃ（１）に在圏している端末装置６１（１）を第２セル２００Ｃ（２）’から第１セル２００Ｃ（１）にハンドオーバさせ、第２セル２００Ｃ（２）’の形状を元の第２セル２００Ｃ（２）の形状に戻し、図１の初期状態の復帰させるように制御する。
以上、図６～図１１の制御例によれば、局所的な降雨３０等により第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下した場合又はその無線通信品質の低下が予想される場合に、無線通信品質の低下がない第２セル２００Ｃ（２）の形状を第１セル２００Ｃ（１）の一部又は全体を含むまで変更させ、第１セル２００Ｃ（１）に在圏して接続していた端末装置６１（１）を、形状変更後の第２セル２００Ｃ（２）’にハンドオーバさせることにより、端末装置６１（１）とＨＡＰＳ２０との間のサービスリンクＳＬ（１）の通信品質を維持することができる。
図１２は、他の実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＧＷ局の切り替え制御の一例を示すフローチャートである。なお、図１２の例では、ＨＡＰＳ２０におけるＧＷ局の切り替え制御を中央制御サーバ８５から遠隔的に行っているが、ＨＡＰＳ２０自体が自律的に行ってもよい。
図１２において、中央制御サーバ８５は、所定のタイミングで定期的に又は非定期に次の（Ｊ１）～（Ｊ３）に例示する通常使用の第１ＧＷ局７０（１）によるフィーダリンクＦＬ（１）の通信品質に関する監視情報を取得する（Ｓ２０１。図１３参照）。
（Ｊ１）フィーダリンクＦＬ（１）の無線伝搬路を含むエリアの天気予報の情報
（Ｊ２）第１ＧＷ局７０（１）及び第１基地局７５（１）の保守予定情報
（Ｊ３）ＨＡＰＳ２０で測定された第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の受信レベルモニタ情報
次に、中央制御サーバ８５は、上記取得した監視情報に基づいて、例えば第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線伝搬路に局所的な降雨３０が発生し、その降雨３０による信号減衰の増大によりフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下したとき又はその無線通信品質の低下が予想されるとき、通常使用の第１ＧＷ局７０（１）から予備の第２ＧＷ局７０（２）への切替と、予備のフィーダリンクＦＬ（２）及びサービスリンクＳＬ（２）の送信とを行うアクティベート処理を実行させるための制御情報を、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１及び第２基地局７５（２）に送信する（ステップＳ２０２。図１４参照）。
第２基地局７５（２）は、中央制御サーバ８５から受信した制御情報に基づいて、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１と第２基地局７５（２）との通信回線を確立し、第２ＧＷ局７０（２）から中継通信局２１へのフィーダリンクＦＬ（２）の送信を開始する。
また、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１の制御部２２４は、中央制御サーバ８５から受信した制御情報に基づいて、第１セル２００Ｃ（１）のフットプリント２００Ｆ（１）にフットプリント２００Ｆ（１）が重なる第２セル２００Ｃ（２）を形成するビームフォーマー制御を行い、第２セル２００Ｃ（２）のサービスリンクＳＬ（２）の送信を開始するように、サービスリンク通信部２２２を制御する。
次に、上記予備の第２基地局７５（２）、第２ＧＷ局７０（２）、フィーダリンクＦＬ（２）及びサービスリンクＳＬ（２）のアクティベート処理が完了した後、第１セル２００Ｃ（１）に在圏する端末装置６１（１）を第１セル２００Ｃ（１）から第２セル２００Ｃ（２）にハンドオーバさせるハンドオーバ制御を行う（Ｓ２０３）。例えば、図１５に示すように、中央制御サーバ８５が、上記ハンドオーバ制御を指示するＨＯ制御指示を第１セル２００Ｃ（１）の第１基地局７５（１）に送信する。第１基地局７５（１）のＢＢＵ７７（１）は、例えばＳ１インターフェースを介してハンドオーバ（ＨＯ）要求を第２セル２００Ｃ（２）の第２基地局７５（２）に送信するとともに、第１セル２００Ｃ（１）に接続した状態（例えば、ＬＴＥにおけるＲＲＣ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄの状態）になっている端末装置６１（１）に対して、ハンドオーバ（ＨＯ）コマンド（例えば、ＬＴＥにおけるＲＲＣ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）をＨＡＰＳ２０の中継通信局２１を介して送信する。ＨＯコマンドを受信して端末装置６１（１）と第２セル２００Ｃ（２）の第２基地局７５（２）との間の同期処理と、コアネットワーク８０のＭＭＥ及びＳ／Ｐ－ＧＷによるパス切り替え処理とが行われ、ハンドオーバ処理が完了する。
なお、第１セル２００Ｃ（１）に複数の端末装置６１（１）が在圏していた場合は、基地局７５（１），７５（２）やフィーダリンクＦＬ（１），ＦＬ（２）等の急激な負荷上昇を回避するために、複数の端末装置６１（１）を同時にハンドオーバさせるのではなく時間をずらしながら各端末装置６１（１）を順次第２セル２００Ｃ（２）にハンドオーバさせるようにしてもよい。
また、第１セル２００Ｃ（１）に在圏する端末装置６１（１）を第２セル２００Ｃ（２）へハンドオーバさせる処理を行っている期間（以下「ハンドオーバ期間」という。）ＴＨＯに、特に第２セル２００Ｃ（２）に在圏する他の端末装置がデータ通信を行うとＨＯコマンドに対する干渉となりうるので、前述の図１０に示すように、ハンドオーバ期間ＴＨＯは、第１セル２００Ｃ（１）及び第２セル２００Ｃ（２）のサービスリンクＳＬ（１）及びサービスリンクＳＬ（２）におけるハンドオーバシーケンスに関係ないユーザデータ信号の通信（データチャネルの通信）を停止してもよい。端末装置のユーザデータ信号の通信を停止することにより、ＨＯコマンドに対する干渉を抑制できる。
次に、中央制御サーバ８５は、第１セル２００Ｃ（１）に在圏していた端末装置６１（１）（複数の端末装置が在圏していた場合は、そのすべての端末装置）の第２セル２００Ｃ（２）へのハンドオーバが完了した後、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信停止を指示する制御情報をＨＡＰＳ２０の中継通信局２１に送信する（Ｓ２０４。図１６参照）。中継通信局２１は、中央制御サーバ８５から受信した制御情報に基づいて、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信を停止する。この送信停止により、中継通信局２１の電力消費を低減するともに、切替後の第２セル２００Ｃ（２）に対する干渉を防止することができる。
なお、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信停止を行う場合、第１セル２００Ｃ（１）に対応する第１ＧＷ局７０（１）からＨＡＰＳ２０の中継通信局２１へのフィーダリンクＦＬ（１）の送信は停止してもよいし、又は、そのまま継続して送信し続けてもよい。第１ＧＷ局７０（１）フィーダリンクＦＬ（１）の送信を続ける場合は、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は引き続きリアルタイムでフィーダリンクＦＬ（１）の受信レベルを測定してモニタできるため、局所的な降雨３０が終わった後にすぐに元のセル構成（例えば図１３参照）に戻すことができる。
その後、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１のモニタリングによりフィーダリンクＦＬ（１）の受信レベルが所定レベルまで回復したとき、又は、天気予報の情報によって前記受信レベルの回復が見込まれる場合などには、中央制御サーバ８５は、図１２のＳ２０２～Ｓ２０４とは逆の手順により、初期状態に復帰する。例えば、中央制御サーバ８５は、第１セル２００Ｃ（１）のサービスリンクＳＬ（１）の送信を再開し、第１セル２００Ｃ（１）に在圏している端末装置６１（１）を予備の第２セル２００Ｃ（２）から通常使用の第１セル２００Ｃ（１）にハンドオーバさせ、予備の第２ＧＷ局７０（２）から通常使用の第１ＧＷ局７０（１）への切替と、予備のフィーダリンクＦＬ（２）及びサービスリンクＳＬ（２）の送信並びに第２セル２００Ｃ（２）の形成を停止し、図１３の初期状態の復帰させるように制御する。
以上、図１２～図１６の制御例によれば、局所的な降雨３０等により第１ＧＷ局７０（１）との間のフィーダリンクＦＬ（１）の無線通信品質が低下した場合又はその無線通信品質の低下が予想される場合に、通常使用の第１ＧＷ局７０（１）から予備の第２ＧＷ局７０（２）に切り替え、第１セル２００Ｃ（１）に在圏して接続していた端末装置６１（１）を、切替後の第２ＧＷ局７０（２）に対応する第２セル２００Ｃ（２）にハンドオーバさせることにより、端末装置６１（１）とＨＡＰＳ２０との間のサービスリンクＳＬ（１）の通信品質を維持することができる。
以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０との間のフィーダリンクの伝搬路における信号減衰が増大に起因したサービスリンクの通信品質の低下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、管理装置、監視装置、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、基地局装置、ＲＲＨ及びＢＢＵ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）、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。
２０ ＨＡＰＳ（通信中継装置）
２１ 中継通信局
３０ 降雨
６１，６１（１），６１（２） 端末装置
７０（１），７０（２） ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７１（１），７１（２） フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
７５，７５（１），７５（２） 基地局
７６（１），７６（２） 遠隔無線装置（ＲＲＨ）
７７（１），７７（２） ベースバンド処理装置（ＢＢＵ）
２００Ｃ，２００Ｃ（１），２００Ｃ（２） ３次元セル
２００Ｆ，２００Ｆ（１），２００Ｆ（２） フットプリント
２１１，２１１（１），２１１（２） フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
２１５ サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
２２１ フィーダリンク通信部
２２２ サービスリンク通信部
２２３ 周波数変換部
２２４ 制御部
２２６ 制御通信部

Claims (20)

  1. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置であって、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うフィーダリンク通信部と、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの全体を含むまで変更させるように、前記サービスリンク通信部を制御する制御部と、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、
    前記制御部は、前記第１セルに接続していた端末装置の前記形状が変更された第２セルへのハンドオーバが終了した後、前記第１セルへの送信を停止するように制御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、
    前記制御部は、前記無線通信品質の低下が解消した後、前記形状が変更された第２セルを元の形状に戻すように前記サービスリンク通信部を制御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、
    前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下は、そのフィーダリンクの伝搬路における降雨又は降雪による信号減衰の増大、前記第１ゲートウェイ局の保守動作、当該通信中継装置の飛行経路の変化及び当該前記通信中継装置の姿勢変化の少なくとも一つに起因した無線通信品質の低下を含むことを特徴とする通信中継装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
    前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、前記第１ゲートウェイ局の保守予定情報、前記第１ゲートウェイ局とのフィーダリンクの受信レベルを含むモニタリング情報、当該通信中継装置の飛行経路情報、当該通信中継装置の位置情報及び当該通信中継装置の姿勢情報の少なくとも一つの情報を取得する情報取得部を更に備え、
    前記制御部は、前記情報取得部で取得した情報に基づいて、前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下を判断することを特徴とする通信中継装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかの通信中継装置において、
    遠隔制御装置から制御情報を受信する制御情報受信部を更に備え、
    前記制御部は、前記制御情報受信部で受信した制御情報に基づいて制御することを特徴とする通信中継装置。
  7. 請求項６の通信中継装置を遠隔制御する遠隔制御装置であって、
    前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、前記第１ゲートウェイ局の保守予定情報、前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの受信レベルを含むモニタリング情報、前記通信中継装置の飛行経路情報、前記通信中継装置の位置情報及び前記通信中継装置の姿勢情報の少なくとも一つの情報を取得する情報取得部と、
    前記情報取得部で取得した情報に基づいて、前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下を判断したとき前記第２セルの形状変更を行うように前記サービスリンク通信部を制御するための制御情報を生成する制御情報生成部と、
    前記通信中継装置に前記制御情報を送信する制御情報送信部と、
    を備えることを特徴とする遠隔制御装置。
  8. 請求項６の通信中継装置と、前記通信中継装置を遠隔制御する遠隔制御装置とを備え、
    前記遠隔制御装置は、
    前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの伝搬路を含むエリアの天気予報の情報、前記第１ゲートウェイ局の保守予定情報及び前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの受信レベルを含むモニタリング情報の少なくとも一つの情報を取得する情報取得部と、
    前記情報取得部で取得した情報に基づいて、前記通信中継装置と前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下を判断したとき前記第２セルの形状変更を行うように前記サービスリンク通信部を制御するための制御情報を生成する制御情報生成部と、
    前記通信中継装置に前記制御情報を送信する制御情報送信部と、
    を備えることを特徴とする通信システム。
  9. 請求項８の通信システムにおいて、
    前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局と、前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局と、を更に備えることを特徴とする通信システム。
  10. 請求項１乃至６のいずれかの通信中継装置と、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局と、前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局と、を備えることを特徴とする通信システム。
  11. 請求項９又は１０の通信システムにおいて、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記第１セルに接続している複数の端末装置を順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行することを特徴とする通信システム。
  12. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置と、第１基地局と、第２基地局とを備える通信システムであって、
    前記通信中継装置は、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うフィーダリンク通信部と、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させるように、前記サービスリンク通信部を制御する制御部と、を備え、
    前記第１基地局は、前記第１ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２基地局は、前記第２ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記第１セルに接続している複数の端末装置を前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行する、ことを特徴とする通信システム。
  13. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置と、第１基地局と、第２基地局とを備える通信システムであって、
    前記通信中継装置は、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うフィーダリンク通信部と、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させるように、前記サービスリンク通信部を制御する制御部と、を備え、
    前記第１基地局は、前記第１ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２基地局は、前記第２ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記第１セルに接続している複数の端末装置を、時間をずらしながら順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行する、ことを特徴とする通信システム。
  14. 請求項１１乃至１３のいずれかの通信システムにおいて、
    前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記ハンドオーバの処理期間に、前記端末装置との間のユーザデータ信号の通信を停止することを特徴とする通信システム。
  15. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置と、第１基地局と、第２基地局とを備える通信システムであって、
    前記通信中継装置は、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うフィーダリンク通信部と、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するサービスリンク通信部と、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させるように、前記サービスリンク通信部を制御する制御部と、を備え、
    前記第１基地局は、前記第１ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２基地局は、前記第２ゲートウェイ局に接続され、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、又は、前記通信中継装置と前記第２ゲートウェイ局とのフィーダリンクの通信が開始した後、前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記第１セルに接続している複数の端末装置を順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行し、
    前記第１基地局及び前記第２基地局は、前記ハンドオーバの処理期間に、前記端末装置との間のユーザデータ信号の通信を停止する、ことを特徴とする通信システム。
  16. 空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局における通信方法であって、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うことと、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの全体を含むまで変更させることと、
    を含むことを特徴とする通信方法。
  17. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置を備える通信システムにおける通信方法であって、
    前記通信中継装置が、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うことと、
    前記通信中継装置が、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、
    前記通信中継装置が、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させることと、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局及び前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局が、前記第１セルに接続している複数の端末装置を前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行することと、
    を含むことを特徴とする通信方法。
  18. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置を備える通信システムにおける通信方法であって、
    前記通信中継装置が、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うことと、
    前記通信中継装置が、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、
    前記通信中継装置が、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させることと、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局及び前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局が、前記第１セルに接続している複数の端末装置を、時間をずらしながら順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行することと、
    を含むことを特徴とする通信方法。
  19. 端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局を含む空中滞在型の通信中継装置を備える通信システムにおける通信方法であって、
    前記通信中継装置が、互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うことと、
    前記通信中継装置が、前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信することと、
    前記通信中継装置が、前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの一部又は全体を含むまで変更させることと、
    前記第２セルの形状の変更が完了した後、前記第１ゲートウェイ局に接続された第１基地局及び前記第２ゲートウェイ局に接続された第２基地局が、前記第１セルに接続している複数の端末装置を順番に前記第２セルにハンドオーバさせる処理を実行することと、
    前記第１基地局及び前記第２基地局が、前記ハンドオーバの処理期間に、前記端末装置との間のユーザデータ信号の通信を停止することと、
    を含むことを特徴とする通信方法。
  20. 空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置とゲートウェイ局との無線通信を中継する中継通信局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、
    互いに隣接する第１セル及び第２セルそれぞれに対応する第１ゲートウェイ局及び第２ゲートウェイ局それぞれとの間でフィーダリンクの無線通信を行うためのプログラムコードと、
    前記第１セル及び前記第２セルそれぞれのサービスリンクにおいて端末装置と無線通信するためのプログラムコードと、
    前記第１セルに対応する前記第１ゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信品質の低下が予想されるとき、前記第２セルの形状を前記第１セルの全体を含むまで変更させ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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