JP7381971B2 - 無線通信システム、中継装置及び無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、中継装置及び無線通信方法に関する。

ＩｏＴ（Internet of Things）技術の発展により、各種センサを備えたＩｏＴ端末を様々な場所に設置することが検討されている。例えば、海上のブイや船舶、山岳地帯など、基地局の設置が困難な場所におけるデータを収集する目的でＩｏＴ端末を活用することも想定されている。
また、ＩｏＴ端末と、ＵＡＶ（無人航空機、Unmanned Aerial Vehicle）や静止衛星との間で無線通信する技術も提案されている。

ＵＡＶや静止衛星等の移動体が移動する場合、地球上に設置されたＩｏＴ端末や基地局等の通信装置と、移動体との間で行われる通信は、ドップラーシフトによる影響を受ける。従来、受信側の通信装置がアップリンク信号の周波数オフセットを補償することによって、ドップラーシフトによる影響を低減させる技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

R. Fantacci, D. Marabissi, S. Papini, "Multiuser Interference Cancellation Receivers for OFDMA Uplink Communications with Carrier Frequency Offset", IEEE Global Telecommunications Conference, 2004. GLOBECOM'04. Vol. 5. IEEE, 2004.

非特許文献１に記載の技術では、受信側の通信装置で、複数の端末装置それぞれから送信されるアップリンク信号の周波数オフセットをそれぞれ補償している。すなわち、非特許文献１に記載の技術では、端末装置毎に周波数オフセットがより少なくなるように周波数オフセットを補償している。この手法を地球上に設置された通信装置と、移動体との間で行われる通信に適用した場合、移動体に対してアップリンク信号を送信する通信装置が少ない場合には有効である。しかしながら、移動体に対してアップリンク信号を送信する通信装置が多くなるにつれて受信である移動体の演算量が増大してしまうという問題があった。

上記事情に鑑み、本発明は、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることができる技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムであって、前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第１のオフセット補償部を備え、前記第１のオフセット補償部が前記中継装置に備えられる場合、前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを、前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部に与え、前記第１のオフセット補償部が前記複数の通信装置それぞれに備えられる場合、前記第１のオフセット補償部は、前記第１のオフセット補償部が備えられている通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを、前記中継装置に対して無線信号を送信する送信部に与える、無線通信システムである。

本発明の一態様は、複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける前記中継装置であって、前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部と、前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第１のオフセット補償部と、を備え、前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを前記受信部に与える、中継装置である。

本発明の一態様は、複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける通信装置であって、前記中継装置に対して無線信号を送信する送信部と、前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第１のオフセット補償部と、を備え、前記第１のオフセット補償部は、前記通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを前記送信部に与える、通信装置である。

本発明の一態様は、複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける無線通信方法であって、前記複数の通信装置又は前記中継装置が、前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償するオフセット補償ステップを有し、前記中継装置が前記オフセット補償ステップを有する場合、前記オフセット補償ステップにおいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを、前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部に与え、前記複数の通信装置それぞれが前記オフセット補償ステップを有する場合、前記オフセット補償ステップにおいて、前記オフセット補償ステップを有する通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを、前記中継装置に対して無線信号を送信する送信部に与える、無線通信方法である。

本発明により、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることが可能となる。

第１の実施形態による無線通信システムの構成図である。 第１の実施形態における無線通信システムの周波数オフセット処理の流れを示すシーケンス図である。 第１の実施形態の変形例による無線通信システムの構成図である。 第２の実施形態による無線通信システムの構成図である。 第２の実施形態における移動中継局が行う周波数オフセット処理の流れを示すフローチャートである。 移動中継局の高度に応じて生じるドップラーシフトの時間変化を表す図である。 第３の実施形態による無線通信システムの構成図である。 第３の実施形態における無線通信システムの周波数オフセット処理の流れを示すシーケンス図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、複数の端末局３と、基地局４とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３及び基地局４それぞれの数は任意である。端末局３の数は、多数であることが想定される。

移動中継局２は、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信された各データを無線信号により受信する。移動中継局２は、受信した各データを基地局４へ無線により送信する。

端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２へ無線により送信する。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。同図では、２台の端末局３のみを示している。以下、端末局３から移動中継局２に対して送信される信号を端末アップリンク信号という。
基地局４は、移動中継局２から端末局３が収集したデータを受信する。
端末局３及び基地局４は、地上や海上等の地球上の特定の位置に設置される。

移動中継局として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局を用いることが考えられる。しかし、静止衛星に搭載された中継局の場合、地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末に対するリンクバジェットは非常に小さい。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、リンクバジェットは高いものの、カバーエリアが狭い。

さらには、ドローンにはバッテリーが、ＨＡＰＳには太陽光パネルが必要である。本実施形態では、ＬＥＯ衛星に移動中継局２を搭載する。よって、リンクバジェットは限界内に収まることに加え、ＬＥＯ衛星は、大気圏外を周回するために空気抵抗がなく、燃料消費も少ない。また、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合と比較して、フットプリントも大きい。

ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２は、高速で移動しながら通信を行う。そのため、移動中継局２と端末局３との間で送受信される信号には、ドップラーシフトが発生する。例えば、移動中継局２で受信される端末アップリンク信号の周波数は、端末局３から送信された時点の周波数から所定の範囲でずれが生じる。ドップラーシフトの影響が大きくなるにつれて周波数のずれが大きくなる。同様に、移動中継局２から端末局３及び基地局４に送信される信号（以下「ダウンリンク信号」という。）においてもドップラーシフトが発生する。

ドップラーシフトによる影響が大きいと、移動中継局２と端末局３との間で行われる通信及び移動中継局２と基地局４との間で行われる通信に影響を与えることになる。例えば、ドップラーシフトにより端末アップリンク信号の周波数が大きくずれてしまうと、移動中継局２において端末アップリンク信号を受信することができなくなる可能性もある。例えば、移動中継局２から送信されるダウンリンク信号を端末局３及び基地局４で受信することができなくなる可能性もある。

そこで、第１の実施形態における移動中継局２では、移動中継局２と端末局３との間で行われる通信においてドップラーシフトによる影響を低減させるための制御を行う。具体的には、第１の実施形態における移動中継局２では、複数の端末局３それぞれと、移動中継局２との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計値を算出する。そして、移動中継局２は、算出した複数の周波数オフセットの統計値に基づいて受信可能な周波数帯域を変更する。

各装置の構成を説明する。
移動中継局２は、アンテナ２１と、端末通信部２２と、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。
端末通信部２２は、送受信部２２１と、オフセット補償部２２２（第１のオフセット補償部）と、端末信号復調部２２３とを有する。
送受信部２２１は、端末局３との間で通信を行う。例えば、送受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する。

オフセット補償部２２２は、複数の端末局３と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する。より具体的には、オフセット補償部２２２は、複数の端末局３それぞれと、移動中継局２との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを送受信部２２１に与える。統計は、例えば平均値であってもよいし、中央値であってもよい。

統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えるとは、送受信部２２１が受信可能な周波数帯域を、統計周波数オフセットを無くすように変更することを意味する。このように、移動中継局２は、統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることで、統計周波数オフセット分のずれを補正している。

端末信号復調部２２３は、送受信部２２１が受信した端末アップリンク信号を復調し、復調結果を復調情報として基地局通信部２４に出力する。

基地局通信部２４は、任意の無線通信方式のダウンリンク信号により受信波形情報を基地局４へ送信する。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、送信部２４４とを備える。

記憶部２４１は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。

制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングにおいて、受信波形情報を基地局４に送信するように送信データ変調部２４３及び送信部２４４を制御する。
送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３から受信波形情報を送信データとして読み出し、読み出した送信データを変調して基地局ダウンリンク信号を生成する。
送信部２４４は、基地局ダウンリンク信号を電気信号から無線信号に変換し、アンテナ２５から送信する。

端末局３は、データ記憶部３１と、送受信部３２と、推定部３３と、１本または複数本のアンテナ３４とを備える。
データ記憶部３１は、センサデータなどを記憶する。

送受信部３２は、移動中継局２との間で通信を行う。例えば、送受信部３２は、データ記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送受信部３２は、読み出した端末送信データを設定した端末アップリンク信号をアンテナ３４から無線により送信する。例えば、送受信部３２は、移動中継局２から送信されるダウンリンク信号を受信して推定部３３に出力する。

送受信部３２は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）により信号を送受信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。また、送受信部３２は、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）などにより送受信を行ってもよい。

送受信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送受信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ３４から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。
推定部３３は、ダウンリンク信号に基づいてドップラー周波数を推定する。

基地局４は、アンテナ４１と、受信部４２と、基地局信号受信処理部４３と、端末信号受信処理部４４とを備える。受信部４２は、アンテナ４１により受信した端末ダウンリンク信号を、電気信号に変換する。基地局信号受信処理部４３は、受信部４２が電気信号に変換した受信信号の復調及び復号を行い、受信波形情報を得る。基地局信号受信処理部４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

端末信号受信処理部４４は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４４は、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４は、端末信号復調部４４１と、端末信号復号部４４２とを備える。

端末信号復調部４４１は、波形データを復調し、復調により得られたシンボルを端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復調部４４１は、波形データが示す信号に対して、移動中継局２のアンテナ２１が受信した端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を行ってから、復調を行ってもよい。アンテナ２１が受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２が搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１が復調したシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

無線通信システム１の動作を説明する。
図２は、第１の実施形態における無線通信システム１の周波数オフセット処理の流れを示すシーケンス図である。図２の説明では、無線通信システム１に端末局３が２台（端末局３－１及び端末局３－２）備えられている場合を例に説明する。２台の端末局３－１及び端末局３－２の機能部を区別するため、それぞれの機能部に枝番“－１”又は“－２”を付すものとする。図２の処理は、定期的又は所定のタイミングが経過した場合に実行される。所定のタイミングは、予め定められた時刻となったタイミングであってもよいし、予め定められた位置だけ移動中継局２が移動したタイミングであってもよい。

移動中継局２は、送受信部２２１を介してダウンリンク信号を各端末局３－１及び３－２に送信する（ステップＳ１０１）。
端末局３－１及び３－２は、移動中継局２から送信されるダウンリンク信号を、アンテナ３４－１及び３４－２を介してそれぞれ受信する。受信されたダウンリンク信号は、推定部３３－１及び３３－２に入力される。

端末局３－１の推定部３３－１は、入力されたダウンリンク信号に基づいてドップラー周波数を推定する（ステップＳ１０２）。ドップラー周波数は、具体的には、推定部３３－１は、ダウンリンク信号を用いて、以下の式（１）に基づいてドップラー周波数を推定する。

式（１）において、ｘは移動中継局２と端末局３との間の伝搬距離を表し、ｔは経過時間を表し、ｆはダウンリンク信号の中心周波数を表し、ｃは光速を表し、ｖは移動中継局２の移動速度を表す。移動中継局２の移動速度ｖは、単位時間当たりの伝搬距離の変化であり、例えば移動中継局２の軌道情報から求めることができる。例えば、移動速度ｖは、（ｘ_２－ｘ_１）／（ｔ_２－ｔ_１）により求めることができる。

推定部３３－１は、推定したドップラー周波数を、アップリンクの周波数が受けるドップラー周波数に変換する（ステップＳ１０３）。推定部３３－１は、変換後のドップラー周波数としての周波数オフセット値を、送受信部３２－１を介して移動中継局２に送信する（ステップＳ１０４）。

端末局３－２の推定部３３－２は、入力されたダウンリンク信号に基づいてドップラー周波数を推定する（ステップＳ１０５）。推定部３３－２は、推定したドップラー周波数を、アップリンクの周波数が受けるドップラー周波数に変換する（ステップＳ１０６）。推定部３３－２は、変換後の周波数オフセット値を、送受信部３２－２を介して移動中継局２に送信する（ステップＳ１０７）。

移動中継局２は、端末局３－１及び３－２から送信された変換後の周波数オフセット値を、アンテナ２１を介して受信する。受信された変換後の周波数オフセット値は、オフセット補償部２２２に入力される。オフセット補償部２２２は、入力された複数の変換後の周波数オフセット値の統計演算を行うことにより統計周波数オフセットを算出する（ステップＳ１０８）。例えば、オフセット補償部２２２は、入力された複数の変換後の周波数オフセット値の平均値を算出することによって統計周波数オフセットを算出する。

オフセット補償部２２２は、算出した統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることによってオフセット補償を行う（ステップＳ１０９）。具体的には、オフセット補償部２２２は、統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることによって、周波数帯域を送受信部２２１において受信可能な値に変更する。すなわち、オフセット補償部２２２は、統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることによって、送受信部２２１において受信可能な周波数帯域の範囲を補正する。送受信部２２１は、オフセット補償部２２２によって補正された周波数帯域の信号を受信する（ステップＳ１１０）。

以上のように構成された無線通信システム１によれば、オフセット補償部２２２において、複数の端末局３と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する。具体的には、オフセット補償部２２２は、複数の端末局３それぞれと、移動中継局２との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを送受信部２２１に与える。すなわち、移動中継局２は、受信処理を行う前に、各端末局３との間の通信で生じるドップラー周波数を予め推定し、全体で平滑化されるように周波数オフセットを補償する。これにより、移動中継局２は、システム全体のドップラー周波数を低減することができる。さらに、移動中継局２は、従来の技術のように、端末局３毎に周波数オフセットを補償するのではなく、各端末局３から得られた周波数オフセットの結果の統計をとり、周波数オフセットの補償する範囲を決定している。したがって、周波数オフセットを補償するための演算量を削減することができる。そのため、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることが可能になる。

（第１の実施形態における変形例）
移動中継局２は、複数のアンテナにより端末アップリンク信号を受信し、基地局ダウンリンク信号の送信に、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を用いるように構成されてもよい。
図３は、第１の実施形態の変形例による無線通信システム１ａの構成図である。図１において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ａは、移動中継局２ａと、端末局３と、基地局４ａとを有する。

移動中継局２ａは、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２ａと、基地局通信部２４ａと、複数本のアンテナ２５とを備える。Ｎ本のアンテナ２１をそれぞれ、アンテナ２１－１～２１－Ｎと記載する。

端末通信部２２ａは、Ｎ個の送受信部２２１と、オフセット補償部２２２ａ（第１のオフセット補償部）と、Ｎ個の端末信号復調部２２３と、合成部２２４とを有する。Ｎ個の送受信部２２１を、送受信部２２１－１～２２１－Ｎと記載する。Ｎ個の端末信号復調部２２３を、端末信号復調部２２３－１～２２３－Ｎと記載する。

送受信部２２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、アンテナ２１－ｎにより端末アップリンク信号を受信する。

オフセット補償部２２２ａは、複数の端末局３と、移動中継局２ａとの間の通信で生じる周波数オフセットを補償する。より具体的には、オフセット補償部２２２ａは、複数の端末局３それぞれと、移動中継局２ａとの間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを送受信部２２１－ｎに与える。統計周波数オフセットの算出方法は、第１の実施形態と同様である。第１の実施形態と異なる点は、オフセット補償部２２２ａが、統計周波数オフセットを送受信部２２１－ｎに与える点である。

端末信号復調部２２３－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、送受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号を復調し、復調結果を合成部２２４に出力する。

合成部２２４は、端末信号復調部２２３－１～２２３－Ｎのそれぞれから入力した復調結果を合成した復調情報を基地局通信部２４ａに出力する。

基地局通信部２４ａは、端末アップリンク信号をＭＩＭＯにより基地局４ａへ中継する。基地局通信部２４ａは、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、ＭＩＭＯ送受信部２４５とを備える。

記憶部２４１は、各アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号の送信時刻毎のウェイトを予め記憶している。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。送信時刻毎のウェイトは、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ４１の位置とに基づいて計算される。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。なお、送信時刻によらず、一定のウェイトを使用してもよい。

制御部２４２は、記憶部２４１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ送受信部２４５に指示する。
送信データ変調部２４３は、合成部２２４が出力した復調情報を送信データとして入力し、入力した送信データをパラレル信号に変換した後、変調する。

ＭＩＭＯ送受信部２４５は、変調されたパラレル信号に、制御部２４２から指示されたウェイトにより重み付けを行い、各アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送受信部２４５は、生成した基地局ダウンリンク信号をアンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する。

基地局４ａは、複数のアンテナ４１と、ＭＩＭＯ送受信部４５と、基地局信号受信処理部４３ａと、端末信号受信処理部４４ａとを備える。

アンテナ４１は、移動中継局２の複数のアンテナ２５それぞれからの信号の到来角差が大きくなるように他のアンテナ４１と離れた位置に配置される。各アンテナ４１は、移動中継局２から受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換してＭＩＭＯ送受信部４５に出力する。

ＭＩＭＯ送受信部４５は、複数のアンテナ４１から受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ送受信部４５は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ４１の位置とに基づいて、各アンテナ４１それぞれが受信した基地局ダウンリンク信号に対する受信時刻毎のウェイトを記憶している。例えば、受信時刻は、受信開始のタイミングからの経過時間で表してもよい。ＭＩＭＯ送受信部４５は、各アンテナ４１から入力した基地局ダウンリンク信号に対して、その基地局ダウンリンク信号の受信時刻に対応したウェイトを乗算し、ウェイトが乗算された受信信号を合成する。なお、受信時刻によらず同じウェイトを用いてもよい。

基地局信号受信処理部４３ａは、合成された受信信号の復調及び復号を行い、復調情報を得る。基地局信号受信処理部４３ａは、復調情報を端末信号受信処理部４４ａに出力する。
端末信号受信処理部４４ａは、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４４ａは、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４ａは、Ｎ個の端末信号復調部４４１と、端末信号復号部４４２と、分配部４４３と、合成部４４４とを備える。Ｎ個の端末信号復調部４４１をそれぞれ、端末信号復調部４４１－１～４４１－Ｎと記載する。

分配部４４３は、受信波形情報から同じ受信時刻の波形データを読み出し、読み出した波形データを、その波形データに対応付けられたアンテナ識別子に応じて端末信号復調部４４１－１～４４１－Ｎに出力する。つまり、分配部４４３は、アンテナ２１－ｎのアンテナ識別子に対応付けられた波形データを、端末信号復調部４４１－ｎに出力する。

端末信号復調部４４１－１～４４１－Ｎはそれぞれ、波形データが表す信号を復調し、復調により得られたシンボルを合成部４４４に出力する。端末信号復調部４４１－ｎは、波形データが表す信号に対して、移動中継局２のアンテナ２１－ｎが受信した端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を行ってから、復調を行ってもよい。各アンテナ２１－ｎが受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２ｂが搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。合成部４４４は、端末信号復調部４４１－１～４４１－Ｎのそれぞれから入力したシンボルを加算合成し、端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復号部４４２は、加算合成されたシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

以上のように構成されることによって、移動中継局２ａと、基地局４ａとの間でＭＩＭＯ通信が行われる場合であっても、周波数オフセットを補償するための演算量を削減することができる。そのため、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることが可能になる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる手法により統計周波数オフセットを算出する構成について説明する。具体的には、第２の実施形態では、移動中継局は、各端末局の位置情報と、移動中継局の位置情報と、高度情報と、軌道情報等の周辺情報に基づいてドップラー周波数を推定する。そして、移動中継局は、推定したドップラー周波数に基づいて受信可能な周波数帯域を変更する。

図４は、第２の実施形態による無線通信システム１ｂの構成図である。図４において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ｂは、移動中継局２ｂと、複数の端末局３ｂと、基地局４とを有する。無線通信システム１ｂが有する移動中継局２ｂ、端末局３ｂ及び基地局４それぞれの数は任意であるが、端末局３ｂの数は多数であることが想定される。

移動中継局２ｂは、アンテナ２１と、端末通信部２２ｂと、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。
端末通信部２２ｂは、送受信部２２１と、オフセット補償部２２２ｂ（第１のオフセット補償部）と、端末信号復調部２２３とを有する。

オフセット補償部２２２ｂは、複数の端末局３と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する。より具体的には、オフセット補償部２２２ｂは、移動中継局２の高度及び軌道に基づいて、複数の端末局３と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを推定し、推定した複数の周波数オフセットの値を用いて統計周波数オフセットを算出する。

端末局３ｂは、データ記憶部３１と、送受信部３２と、１本または複数本のアンテナ３４とを備える。端末局３ｂは、推定部３３を備えない点で端末局３と構成が異なる。それ以外の構成は、第１の実施形態と同様である。
このように、第２の実施形態における端末局３ｂは、第１の実施形態のように、端末局３ｂと、移動中継局２ｂとの間で生じる周波数オフセットを推定しない。

無線通信システム１ｂの動作を説明する。
図５は、第２の実施形態における移動中継局２ｂが行う周波数オフセット処理の流れを示すフローチャートである。図５の処理は、定期的又は所定のタイミングが経過した場合に実行される。

オフセット補償部２２２ｂは、周辺情報に基づいてドップラー周波数を推定する（ステップＳ２０１）。具体的には、オフセット補償部２２２ｂは、図６に示すような情報を保持しており、各端末局３ｂの位置情報と、移動中継局２ｂの位置情報と、高度情報と、軌道情報等の周辺情報に基づいてドップラー周波数を推定する。例えば、オフセット補償部２２２ｂは、ドップラー周波数を端末局３ｂ毎に推定する。

図６は、移動中継局２ｂの高度に応じて生じるドップラーシフトの時間変化を表す図である。図６において横軸は経過時間を表し、縦軸はアップリンク信号に生じるドップラーシフトの値を表す。経過時間０ｓｅｃの移動中継局２ｂの位置は、特定の端末局３ｂの真上の位置を表す。図６において、移動中継局２ｂが特定の端末局３ｂの真上に位置している場合には、ドップラーシフトが生じないことが示されている。

オフセット補償部２２２ｂは、推定した複数のドップラー周波数に基づいて統計周波数オフセットを算出する。オフセット補償部２２２ｂは、算出した統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることによってオフセット補償を行う（ステップＳ２０２）。具体的には、オフセット補償部２２２ｂは、統計周波数オフセットを送受信部２２１に与えることによって、送受信部２２１において受信可能な周波数帯域の範囲を補正する。送受信部２２１は、オフセット補償部２２２ｂによって補正された周波数帯域の信号を受信する（ステップＳ２０３）。

以上のように構成された無線通信システム１ｂによれば、第１の実施形態と異なる方法で周波数オフセットを補償するための演算量を削減することができる。さらに、図６に示すように、移動中継局２ｂの高度に応じて生じるドップラーシフトの時間変化はある程度決まっている。このような情報を用いることによって演算量を削減することができる。そのため、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることが可能になる。

（第２の実施形態における変形例）
無線通信システム１ｂは、第１の実施形態と同様に、複数のアンテナにより端末アップリンク信号を受信し、基地局ダウンリンク信号の送信にＭＩＭＯを用いるように構成されてもよい。このように構成される場合、移動中継局２ｂの基地局通信部２４の構成と、基地局４の構成とを、図３に示す基地局通信部２４ａの構成と、基地局４ａの構成とに置き換えればよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、端末局においてオフセット補償を行う構成について説明する。具体的には、端末局において移動中継局と端末局との間で生じるドップラー周波数を推定する。そして、端末局が、推定したドップラー周波数分ずらしたアップリンク信号を生成して移動中継局２に送信する。

図７は、第３の実施形態による無線通信システム１ｃの構成図である。図７において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ｃは、移動中継局２ｃと、複数の端末局３ｃと、基地局４とを有する。無線通信システム１ｃが有する移動中継局２ｃ、端末局３ｃ及び基地局４それぞれの数は任意であるが、端末局３ｃの数は多数であることが想定される。

移動中継局２ｃは、アンテナ２１と、端末通信部２２ｃと、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。
端末通信部２２ｃは、送受信部２２１と、端末信号復調部２２３とを有する。移動中継局２ｃは、オフセット補償部２２２を備えない点で移動中継局２と構成が異なる。それ以外の構成は、第１の実施形態と同様である。

このように、第３の実施形態における移動中継局２ｃは、第１の実施形態のように、送受信部２２１に周波数オフセットを与えない。すなわち、移動中継局２ｃは、移動中継局２において周波数オフセットを補償しない。

端末局３ｃは、データ記憶部３１と、送受信部３２と、推定部３３と、１本または複数本のアンテナ３４と、オフセット補償部３５とを備える。
オフセット補償部３５は、複数の端末局３ｃと、移動中継局２ｃとの間の通信で生じる周波数オフセットを補償する。より具体的には、オフセット補償部３５は、端末局３ｃ（自装置）と、移動中継局２ｃとの間の通信で生じる周波数オフセットを送受信部３２に与える。

周波数オフセットを送受信部３２に与えるとは、送受信部３２が送信可能な周波数帯域を、周波数オフセット分ずらすように変更することを意味する。周波数オフセットが“２０ＭＨｚ”である場合、端末局３ｃから送信されたアップリンク信号の周波数が“２０ＭＨｚ”分ずれて移動中継局２ｃに受信されることになる。そこで、オフセット補償部３５は、周波数オフセットが“２０ＭＨｚ”である場合、端末局３ｃで送信するアップリンク信号の周波数を“－２０ＭＨｚ”分ずらすように変更する。これにより、移動中継局２ｃで受信される際には、オフセットの影響を軽減することができる。

無線通信システム１ｃの動作を説明する。
図８は、第３の実施形態における無線通信システム１ｃの周波数オフセット処理の流れを示すシーケンス図である。図７の説明では、無線通信システム１ｃに端末局３ｃが２台（端末局３ｃ－１及び端末局３ｃ－２）備えられている場合を例に説明する。２台の端末局３ｃ－１及び端末局３ｃ－２の機能部を区別するため、それぞれの機能部に枝番“－１”又は“－２”を付すものとする。図８の処理は、定期的又は所定のタイミングが経過した場合に実行される。

移動中継局２ｃは、送受信部２２１を介してダウンリンク信号を各端末局３ｃ－１及び３ｃ－２に送信する（ステップＳ３０１）。
端末局３ｃ－１及び３ｃ－２は、移動中継局２ｃから送信されるダウンリンク信号を、アンテナ３４－１及び３４－２を介してそれぞれ受信する。受信されたダウンリンク信号は、推定部３３－１及び３３－２に入力される。

端末局３ｃ－１の推定部３３－１は、入力されたダウンリンク信号に基づいてドップラー周波数を推定する（ステップＳ３０２）。推定部３３－１は、推定したドップラー周波数を、アップリンクの周波数が受けるドップラー周波数に変換する（ステップＳ３０３）。推定部３３－１は、変換後の周波数オフセット値をオフセット補償部３５－１に出力する。

端末局３ｃ－１のオフセット補償部３５－１は、変換後の周波数オフセットの値を送受信部３２－１に与えることによってオフセットを補償する（ステップＳ３０４）。具体的には、オフセット補償部３５－１は、送受信部３２－１において送信する周波数帯域の範囲を補正する。端末局３ｃ－１の送受信部３２－１は、オフセット補償部３５－１によって補正された周波数帯域で端末アップリンク信号を移動中継局２ｃに送信する（ステップＳ３０５）。

端末局３ｃ－２の推定部３３－２は、入力されたダウンリンク信号に基づいてドップラー周波数を推定する（ステップＳ３０６）。推定部３３－２は、推定したドップラー周波数を、アップリンクの周波数が受けるドップラー周波数に変換する（ステップＳ３０７）。推定部３３－２は、変換後の周波数オフセット値をオフセット補償部３５－２に出力する。

端末局３ｃ－２のオフセット補償部３５－２は、変換後の周波数オフセットの値を送受信部３２－２に与えることによってオフセットを補償する（ステップＳ３０８）。具体的には、オフセット補償部３５－２は、送受信部３２－２において送信する周波数帯域の範囲を補正する。端末局３ｃ－２の送受信部３２－２は、オフセット補償部３５－２によって補正された周波数帯域で端末アップリンク信号を移動中継局２ｃに送信する（ステップＳ３０９）。

移動中継局２ｃは、端末局３ｃ－１及び３ｃ－２から送信された端末アップリンク信号を、アンテナ２１を介して受信する（ステップＳ３１０）。

以上のように構成された無線通信システム１ｃによれば、各端末局３ｃにおいて、周波数オフセットを補償した後に、移動中継局２ｃとの間で通信を行う。具体的には、端末局３ｃは、アップリンクの周波数が受けるドップラー周波数がわかっている場合、送信時の信号に対してドップラー周波数分の誤差を与えることによって周波数オフセットを補償する。これにより、ドップラーシフトによる影響を低減させることができる。さらに、無線通信システム１ｃでは、周波数オフセットを補償するための演算を各端末局３ｃで行うため、移動中継局２ｃで周波数オフセットを補償するための演算を行わなくてよい。これにより、演算量を抑えることができる。そのため、演算量を抑えつつ、ドップラーシフトによる影響を低減させることが可能になる。

（第３の実施形態における変形例）
無線通信システム１ｃは、第１の実施形態と同様に、複数のアンテナにより端末アップリンク信号を受信し、基地局ダウンリンク信号の送信にＭＩＭＯを用いるように構成されてもよい。このように構成される場合、移動中継局２ｃの基地局通信部２４の構成と、基地局４の構成とを、図３に示す基地局通信部２４ａの構成と、基地局４ａの構成とに置き換えればよい。

上記の各実施形態では、端末局から移動中継局へのアップリンクに生じるドップラーシフトによる影響を低減させていた。上述したように、ドップラーシフトによる影響は、ダウンリンク時にも生じる。そこで、上記の各実施形態において、移動中継局と基地局との間で生じるドップラーシフトも低減させるように構成されてもよい。この構成について第１の実施形態を例に説明する。移動中継局と基地局との間で生じるドップラーシフトを低減させる方法として第１の方法及び第２の方法がある。

第１の方法は、移動中継局２の軌道情報に基づいて、移動中継局２又は基地局４が周波数オフセットを算出する方法である。
第２の方法は、移動中継局２と基地局４との間で生じる周波数オフセットを基地局４で算出して移動中継局２にフィードバックする方法である。

まず第１の方法を利用する場合について説明する。
（移動中継局２の軌道情報に基づいて、移動中継局２が周波数オフセットを算出する場合）
このように構成される場合、移動中継局２の基地局通信部２４は、オフセット補償部（第２のオフセット補償部）をさらに備える。基地局通信部２４のオフセット補償部は、移動中継局２の高度及び軌道と、基地局４の位置情報とに基づいて、基地局４と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを推定する。具体的な処理は、オフセット補償部２２２ｂと同様である。そして、基地局通信部２４のオフセット補償部は、推定した周波数オフセットの値を送受信部２４４に与えることによって、送受信部２４４において送信可能な周波数帯域の範囲を補正する。

周波数オフセットが“２０ＭＨｚ”である場合、移動中継局２から送信されたダウンリンク信号の周波数が“２０ＭＨｚ”分ずれて基地局４に受信されることになる。そこで、基地局通信部２４のオフセット補償部は、基地局４において受信されるダウンリンク信号に影響を与える周波数オフセットが軽減されるように、送信時にオフセットを与える。これにより、基地局４で受信される際には、オフセットの影響を軽減することができる。

（移動中継局２の軌道情報に基づいて、基地局４が周波数オフセットを算出する場合）
このように構成される場合、移動中継局２の基地局通信部２４は、オフセット補償部（第２のオフセット補償部）をさらに備え、基地局４は推定部をさらに備える。推定部は、移動中継局２の高度及び軌道と、基地局４の位置情報とに基づいて、基地局４と、移動中継局２との間の通信で生じる周波数オフセットを推定する。具体的な処理は、オフセット補償部２２２ｂと同様である。基地局４は、推定した周波数オフセットの値を移動中継局２に通知する。基地局通信部２４のオフセット補償部は、基地局４から通知された周波数オフセットの値を送受信部２４４に与えることによって、送受信部２４４において送信可能な周波数帯域の範囲を補正する。

まず第２の方法を利用する場合について説明する。
このように構成される場合、移動中継局２の基地局通信部２４は、オフセット補償部（第２のオフセット補償部）をさらに備え、基地局４は推定部をさらに備える。移動中継局２は、ビーコン信号等の既知信号を基地局４に送信する。基地局４の推定部は、受信した既知信号に基づいてドップラー周波数を推定する。具体的な処理は、推定部３３と同様である。その後、基地局４の推定部は、推定したドップラー周波数を周波数オフセット値として、移動中継局２に通知する。移動中継局２は、通知された周波数オフセット値を受信する。基地局通信部２４のオフセット補償部は、基地局４から通知された周波数オフセット値を送受信部２４４に与えることによって、送受信部２４４において送信可能な周波数帯域の範囲を補正する。

なお、上記実施形態において、移動中継局が搭載される移動体は、ＬＥＯ衛星である場合を説明したが、静止衛星、ドローンやＨＡＰＳなど上空を飛行する他の飛行体であってもよい。

上述した実施形態におけるオフセット補償部２２２における統計演算、推定部３３による推定処理をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、移動中継局が搭載される移動体と通信を行う技術に適用できる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ…無線通信システム，
２、２ａ、２ｂ、２ｃ…移動中継局，
３、３ｂ、３ｃ…端末局，
４、４ａ…基地局，
２１－１～２１－Ｎ…アンテナ，
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…端末通信部，
２４、２４ａ…基地局通信部，
２５…アンテナ，
３１…データ記憶部，
３２…送受信部，
３３…推定部
３４…アンテナ，
３５…オフセット補償部，
４１…アンテナ，
４２…送受信部，
４３、４３ａ…基地局信号受信処理部，
４４、４４ａ…端末信号受信処理部，
４５…ＭＩＭＯ送受信部，
２２１－１～２２１－Ｎ…受信部，
２２２、２２２ａ、２２２ｂ…オフセット補償部，
２２３－１～２２３－Ｎ、４４１－１～４４１－Ｎ…端末信号復調部，
２２４、４４４…合成部，
２４１…記憶部，
２４２…制御部，
２４３…送信データ変調部，
２４５…ＭＩＭＯ送受信部，
４４３…分配部

Claims (4)

1. 複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムであって、
   前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第１のオフセット補償部を備え、
   前記第１のオフセット補償部が前記中継装置に備えられる場合、
   前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを、前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部に与え、
   前記第１のオフセット補償部が前記複数の通信装置それぞれに備えられる場合、
   前記第１のオフセット補償部は、前記第１のオフセット補償部が備えられている通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを、前記中継装置に対して無線信号を送信する送信部に与え、
   前記第１のオフセット補償部が前記中継装置に備えられる場合において、
   前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの平均値を算出することによって前記統計周波数オフセットを取得し、取得した前記統計周波数オフセットを前記受信部に与えることによって、前記受信部において受信可能な周波数帯域を変更し、
   前記受信部は、前記第１のオフセット補償部によって変更された周波数帯域の信号を受信し、
   前記第１のオフセット補償部は、前記中継装置が備えられる移動体の位置情報、高度及び軌道と、前記複数の通信装置それぞれの位置情報とに基づいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットを推定し、推定した前記複数の周波数オフセットの値を用いて前記統計周波数オフセットを取得する、
   無線通信システム。
2. 基地局装置をさらに有し、
   前記中継装置は、前記基地局装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第２のオフセット補償部をさらに備える、
   請求項１に記載の無線通信システム。
3. 複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける前記中継装置であって、
   前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部と、
   前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償する第１のオフセット補償部と、
   を備え、
   前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを前記受信部に与え、
   前記第１のオフセット補償部が前記中継装置に備えられる場合において、
   前記第１のオフセット補償部は、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの平均値を算出することによって前記統計周波数オフセットを取得し、取得した前記統計周波数オフセットを前記受信部に与えることによって、前記受信部において受信可能な周波数帯域を変更し、
   前記受信部は、前記第１のオフセット補償部によって変更された周波数帯域の信号を受信し、
   前記第１のオフセット補償部は、前記中継装置が備えられる移動体の位置情報、高度及び軌道と、前記複数の通信装置それぞれの位置情報とに基づいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットを推定し、推定した前記複数の周波数オフセットの値を用いて前記統計周波数オフセットを取得する、
   中継装置。
4. 複数の通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
   前記複数の通信装置又は前記中継装置が、前記複数の通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを補償するオフセット補償ステップを有し、
   前記中継装置が前記オフセット補償ステップを有する場合、
   前記オフセット補償ステップにおいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの統計により得られた統計周波数オフセットを、前記複数の通信装置それぞれから送信される無線信号を受信する受信部に与え、
   前記複数の通信装置それぞれが前記オフセット補償ステップを有する場合、
   前記オフセット補償ステップにおいて、前記オフセット補償ステップを有する通信装置と、前記中継装置との間の通信で生じる周波数オフセットを、前記中継装置に対して無線信号を送信する送信部に与え、
   前記オフセット補償ステップを前記中継装置が実行する場合において、
   前記オフセット補償ステップにおいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットの平均値を算出することによって前記統計周波数オフセットを取得し、取得した前記統計周波数オフセットを前記受信部に与えることによって、前記受信部において受信可能な周波数帯域を変更し、
   前記受信部が、前記オフセット補償ステップによって変更された周波数帯域の信号を受信し、
   前記オフセット補償ステップにおいて、前記中継装置が備えられる移動体の位置情報、高度及び軌道と、前記複数の通信装置それぞれの位置情報とに基づいて、前記複数の通信装置それぞれと、前記中継装置との間の通信で生じる複数の周波数オフセットを推定し、推定した前記複数の周波数オフセットの値を用いて前記統計周波数オフセットを取得する、
   無線通信方法。

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