JPWO2019186980A1 - 中継局、制御局、衛星通信システム、制御回路およびプログラム - Google Patents

Abstract

本発明にかかる端末は、開口面を有するアンテナ（１２０）と、制御フレームを受信する時は開口面を分割し、分割されたそれぞれの開口面を複数の中継局のそれぞれに指向させ、データフレームを受信する時は開口面を単一の中継局を指向させるアンテナ（１２０）のアンテナパターンを算出するアンテナパターン演算部（１０４）とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、端末、中継局、制御局、およびこれらを有する衛星通信システムに関する。

地上に設置される端末と複数の衛星とを有する従来の衛星通信システムでは、端末が複数の受信アンテナを具備し、端末のアンテナによって形成されるビームを用いて、端末と複数の衛星とが同時に通信する衛星ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）によって複数の通信路を空間多重化することで通信を高速化している。

特許文献１は、衛星ＭＩＭＯを用いる衛星通信システムであって各衛星からの信号を端末が受信する受信タイミングの相違、または各衛星との間で周波数誤差によって発生するデータ転送のスループットの低下を抑制する送信プリコーディング方法および受信等化方法が適用される衛星通信システムを開示する。

特許第６１６５６４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の衛星通信システムは、端末が複数の衛星と同時に通信するためのビームを常に形成する必要があるため、アンテナは複数の開口面を有する必要がある。このため、端末は回路規模を大きくする必要がある。また、端末はアレーアンテナを用いて開口面を分割することで複数のビームを形成し、複数の衛星と通信することもできるが、開口面を分割して複数のビームを形成した場合、１ビームあたりの開口面積が減少するためビーム利得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、端末の回路規模を抑制し、ビーム利得の低下を抑制する端末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、本発明にかかる端末は、開口面を有するアレイアンテナと、制御フレームを受信する時は開口面を分割し、分割されたそれぞれの開口面を複数の中継局のそれぞれに指向させ、データフレームを受信する時は開口面を単一の中継局を指向させるアレイアンテナのアンテナパターンを算出するアンテナパターン演算部とを備えることを特徴とする。

本発明にかかる衛星通信システムは、端末の回路規模を抑制し、ビーム利得の低下を抑制する端末を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる衛星通信システムの構成例を示す図 実施の形態にかかる端末が中継局を介して基地局から信号を受信することを示す図 実施の形態にかかる端末が２つの中継局を介して信号を受信していることを示す図 実施の形態にかかる制御フレームのデータ構造の一例を示す図 実施の形態にかかる中継局追加可否通知のデータ構造の一例を示す図 実施の形態にかかる中継局追加通知のデータ構造の一例を示す図 実施の形態にかかる中継局解放通知のデータ構造の一例を示す図 実施の形態にかかる端末と中継局と基地局と制御局との動作を示すシーケンス図 実施の形態にかかる制御局の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる中継局数決定部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態にかかる追加中継局決定部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態にかかる回線割当決定部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態にかかるフォワードリンクの回線割当を示す図 実施の形態にかかる制御回路を示す図 実施の形態にかかる基地局の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる中継局の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる端末の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる無線信号受信部の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかるアンテナパターン演算部の動作の一例を示すフローチャート 実施の形態にかかる通信可能中継局決定部の動作の一例を示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態にかかる端末、中継局、制御局、および衛星通信システム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．
図１は、実施の形態にかかる衛星通信システムの構成例を示す図である。衛星通信システム５００は、端末１−１〜端末１−Ｌと、中継局２−１〜中継局２−ｍと、基地局３−１〜基地局３−ｍと、制御局４と、地上回線網５とを備える。なお、図１では、ｍが２であるときの中継局２を図示しているが、本実施の形態では中継局の数は２局に限らない。また、中継局２−１〜中継局２−ｍのそれぞれを区別せずに示すときは、中継局２と称する。同様に、図１では、ｍが２であるときの基地局３を図示しているが、本実施の形態では基地局の数は２局に限らない。また、基地局３−１〜基地局３−ｍのそれぞれを区別せずに示すときは、基地局３と称する。図１では、Ｌが２であるときの端末１を図示しているが、本実施の形態では端末の数は２台に限らない。また、端末１−１〜端末１−Ｌのそれぞれを区別せずに示すときは、端末１と称する。中継局２は衛星とも呼ばれる。中継局２の数と基地局３の数とは１対１の関係が成立する。

端末１は受信アンテナを備え、端末１と中継局２とは無線通信で接続される。中継局２と基地局３とは無線通信で接続される。基地局３と制御局４とは有線通信で接続される。基地局３と地上回線網５とは有線通信で接続される。なお、本実施の形態では、基地局３と制御局４との通信、および基地局３と地上回線網５との通信は有線通信としているが、有線通信に限らず無線通信で接続されていてもよい。本実施の形態の無線通信、有線通信それぞれにおいて、各装置が通信に用いる媒体は電波または光など特に限定されない。図１において破線は無線通信を、実線は有線通信を示す。

図２は、実施の形態にかかる端末１が中継局２−１を介して基地局３−１から信号を受信することを示す図である。端末１−１は、中継局２−１を介して基地局３−１から送信される信号６−１を受信する。本実施の形態では、端末１が中継局２を介して基地局３から送信される信号を受信することをフォワードリンクと呼ぶ。端末１のフォワードリンクのスループットを拡大したい場合、端末１は中継局２−１に加えて、中継局２−２から送信される信号を受信することができる。信号６−１は、制御フレーム６０１とデータフレーム６０２とを含む。制御フレーム６０１は、送信元ＩＰ（Internet Protocol）アドレス、送信先ＩＰアドレス、およびＡＣＫ（ACKnowledgement）などの通信を制御するための情報を含むフレームである。データフレーム６０２は、端末１が取得を要求するデータを含むフレームである。

図３は、実施の形態にかかる端末１が２つの中継局２を介して信号を受信していることを示す図である。本実施の形態において、中継局２−１および中継局２−２が、それぞれ同一時間スロットかつ同一周波数で端末１へ信号６−１および信号６−２を送信する場合、端末１は、受信アンテナに２個のウェイト乗算器を設けること、または受信アンテナの開口面を２つに分割することで、信号６−１および信号６−２を同時に受信することができる。信号６−２は信号６−１と比べて、データフレームの時間スロットが異なる。本実施の形態において信号６−１、信号６−２のそれぞれを区別せずに示すときは、信号６と称する。

図４は、実施の形態にかかる制御フレーム６０１のデータ構造の一例を示す図である。制御フレーム６０１は、基地局３から端末１宛てのデータフレームの送信タイミング情報６１１を含む。

図５は、実施の形態にかかる中継局追加可否通知８のデータ構造の一例を示す図である。中継局追加可否通知８は、端末１が接続可能な中継局２を示す、中継局ＩＤ（Identification）リスト８０１と、中継局ＩＤリスト８０１に記載されている受信ＳＮＲ（Signal Noise Ratio）の推定値８０２とを含む。受信ＳＮＲの推定値８０２は、端末１が中継局２から送信された信号６を受信し、電力強度を測定することで推定することができる。ＩＤは識別情報とも呼ばれる。

図６は、実施の形態にかかる中継局追加通知９のデータ構造の一例を示す図である。中継局追加通知９は、端末１が新しく接続する追加する中継局ＩＤ９０１を含む。

図７は、実施の形態にかかる中継局解放通知１０のデータ構造の一例を示す図である。中継局解放通知１０は、端末１が接続を解放する中継局ＩＤ１００１を含む。

図８は、実施の形態にかかる端末１と中継局２と基地局３と制御局４との動作を示すシーケンス図である。図８に示すように、衛星通信システム５００は、制御フレーム６０１と、中継局追加要求７と、中継局追加可否通知８と、中継局追加通知９と、中継局解放通知１０とを用いて通信を行う。各制御の詳細については後述する。中継局追加要求７は、端末１に対して要求する通信であり、データ構造に関しては特に限定されない。

図９は、実施の形態にかかる制御局４の機能ブロックを示す図である。制御局４は、基地局とのＩＦ（Interface）４０１と、フォワードリンクデータ量取得部４０２と、中継局数決定部４０３と、追加中継局決定部４０４と、回線割当記憶部４０５と、回線割当決定部４０６とを備える。

中継局数決定部４０３の動作について説明する。図１０は、実施の形態にかかる中継局数決定部４０３の動作の一例を示すフローチャートである。図１０で示すように、まず、中継局数決定部４０３は、フォワードリンクデータ量取得部４０２より端末１のフォワードリンクデータ量を取得する（ステップＳ１−１）。

次に、中継局数決定部４０３は、ステップＳ１−１で取得した端末１のフォワードリンクデータ量が閾値Ａ以上かどうかを判定する（ステップＳ１−２）。端末１のフォワードリンクデータ量が閾値Ａ以上である場合（ステップＳ１−２，Ｙｅｓ）、中継局数決定部４０３は、端末１のフォワードリンクデータ量に対し、端末１が接続している中継局２の数が不足していると判断し、中継局追加要求７の生成を基地局３に指示する（ステップＳ１−３）。一方で、端末１のフォワードリンクデータ量が閾値Ａより低い場合（ステップＳ１−２，Ｎｏ）、中継局数決定部４０３は、端末１のフォワードリンクデータ量を閾値Ｂと比較する（ステップＳ１−４）。閾値Ａは閾値Ｂよりも大きい値である。

端末１のフォワードリンクデータ量が閾値Ｂ以下である場合（ステップＳ１−４，Ｙｅｓ）、中継局数決定部４０３は、端末１が接続している中継局２の数が、端末１のフォワードリンクデータ量と比較して多いと判断し、中継局数決定部４０３は、中継局解放通知１０の生成を基地局３に指示する（ステップＳ１−５）。端末１のフォワードリンクデータ量が閾値Ｂより大きい場合（ステップＳ１−４，Ｎｏ）、処理は終了する。閾値Ａおよび閾値Ｂは、例えば、基地局３から取得された、基地局３の送信バッファの蓄積量に応じて閾値を決定されても良いし、システムで予め決められた固定の値としても良く、閾値Ａおよび閾値Ｂの決定方法は限定されない。以上の処理により、中継局数決定部４０３は、端末１のフォワードリンクデータ量に応じて、接続する中継局の数を決定することができる。

追加中継局決定部４０４の動作を説明する。追加中継局決定部４０４は、端末１から基地局３を介して受信した中継局追加可否通知８に記載されている、端末１が接続可能な中継局ＩＤリスト８０１と、回線割当記憶部４０５より取得した基地局３のフォワードリンクにおけるトラヒック負荷状況とに基づいて、端末１が追加で接続する中継局２を決定する。以下、通信システム全体でＮ機の中継局２が存在し、Ｎ機の中継局２の中から端末１が新しく接続する中継局２を決定するケースを想定して、追加中継局決定部４０４の動作について説明する。

図１１は、実施の形態にかかる追加中継局決定部４０４の動作の一例を示すフローチャートである。図１１に示すように、追加中継局決定部４０４は、中継局追加可否通知８に記載されている中継局ＩＤリスト８０１を取得する（ステップＳ２−１）。追加中継局決定部４０４は、中継局２−ｉが中継局ＩＤリスト８０１に含まれているかを確認する（ステップＳ２−２）。ｉは、初期値が１であり、ｉがＮになるまで１ずつ加算される値である。後述するステップＳ２−９の処理の終了後、ステップＳ２−２のＮｏに分岐後、ステップＳ２−４のＮｏに分岐後、およびステップＳ２−８のＮｏに分岐後にｉは１加算される。また、ｉがＮになるまでステップＳ２−２からステップＳ２−９までの処理が繰り返される。中継局２−ｉが中継局ＩＤリスト８０１に含まれている場合（ステップＳ２−２，Ｙｅｓ）、追加中継局決定部４０４は、回線割当記憶部４０５より中継局２−ｉに割り当てられた周波数リソースのうち、端末１に割り当てることが可能な周波数リソース量を取得する（ステップＳ２−３）。ステップＳ２−３の後、追加中継局決定部４０４は、ステップＳ２−３で取得した中継局２−ｉに割り当てられた周波数リソースのうち端末１に割当て可能な周波数リソースの有無を判定する（ステップＳ２−４）。中継局２−ｉが中継局ＩＤリスト８０１に含まれていない場合（ステップＳ２−２，Ｎｏ）、処理はステップＳ２−９の処理後のフローへ進む。

ステップＳ２−４の判定の結果、中継局２−ｉで使用可能な周波数リソースが存在する場合（ステップＳ２−４，Ｙｅｓ）、追加中継局決定部４０４は、中継局追加可否通知８に記載されている端末１における中継局２−ｉからの受信ＳＮＲの推定値８０２を用いて、中継局２−ｉの推定受信ＳＮＲ値を取得する（ステップＳ２−５）。中継局２−ｉで使用可能な周波数リソースが存在しない場合（ステップＳ２−４，Ｎｏ）、処理はステップ２−９の処理後のフローへ進む。ステップＳ２−５の後に、追加中継局決定部４０４は、基地局−端末間で回線が成立する変調方式の中で、最も変調多値数の高い変調方式の周波数利用効率を取得する（ステップＳ２−６）。ここで、端末のフォワードリンクの変調方式が予め決められている場合は、予め決められた変調方式の周波数利用効率を取得してもよい。ここで、周波数利用効率とは、単位帯域幅あたりの情報ビット数のことを意味している。

次に、追加中継局決定部４０４は、ステップＳ２−３で取得した中継局２−ｉに割り当てられた周波数リソースのうち、端末１に割り当てることが可能な周波数リソース量と、ステップＳ２−６で得た端末１の周波数利用効率とを用いて、端末１が中継局２−ｉに接続した場合のフォワードリンクスループットを算出する（ステップＳ２−７）。中継局２−ｉのフォワードリンクスループットが、端末１が中継局２−１，２−２・・・２−（ｉ−１）に接続することで得られるスループットより高い場合（ステップＳ２−８，Ｙｅｓ）、追加中継局決定部４０４は、中継局２−ｉを端末１の追加中継局とする（ステップＳ２−９）。中継局２−ｉのフォワードリンクスループットが、端末１が中継局２−１，２−２・・・２−（ｉ−１）に接続することで得られるスループット以下である場合（ステップＳ２−８，Ｎｏ）、処理はステップＳ２−９の処理後のフローへ進む。追加中継局決定部４０４は、基地局３に中継局追加通知９の生成を指示する（ステップＳ２−１０）。追加中継局決定部４０４は、回線割当決定部４０６に端末１の追加中継局を通知する（ステップＳ２−１１）。以上、ステップＳ２−２〜ステップＳ２−９の処理を、システムを構成するＮ機の中継局２に対して実施することで、端末１が接続可能な中継局２の中で、最も高いスループットが得られる中継局２を決定し、ステップＳ２−１０およびステップＳ２−１１で追加中継局を通知することができる。

続いて、端末１が中継局２−１と中継局２−２との両方から、データフレーム６０２を受信するケースを想定して、回線割当決定部４０６の動作を説明する。図１２は、実施の形態にかかる回線割当決定部４０６の動作の一例を示すフローチャートである。回線割当決定部４０６は、追加中継局決定部４０４より、端末１が追加する中継局２の情報を取得する（ステップＳ３−１）。回線割当決定部４０６は、回線割当記憶部４０５より基地局３−１および基地局３−２のフォワードリンクにおける回線割当状況を取得する（ステップＳ３−２）。回線割当決定部４０６は、基地局３−１および基地局３−２のフォワードリンクの回線割当を決定する（ステップＳ３−３）。

図１３は、実施の形態にかかるフォワードリンクの回線割当を示す図である。回線割当決定部４０６がステップＳ３−３で行う回線割当の決定は、図１３に示すように、基地局３−１および基地局３−２のデータフレーム６０２が同じ時間スロットとならないように回線割当を決定する。回線割当を決定する際は、基地局３−１から中継局２−１と、基地局３−２から中継局２−２との距離差により生じる伝搬遅延を考慮して、端末１において、信号６−１のデータフレーム６０２を受信する時間と、信号６−２のデータフレーム６０２を受信する時間とが同じ時間とならないように、データフレーム６０２およびデータフレーム６０２の時間スロットを決定する。回線割当決定部４０６は、ステップＳ３−３で決定した回線割当を、基地局３−１および基地局３−２へ通知する（ステップＳ３−４）。以上、回線割当決定部４０６の一連の処理により、制御局４は、端末１がフォワードリンクにおいて、中継局２−１と中継局２−２との両方からデータフレームを受信できるよう、基地局３−１および基地局３−２のフォワードリンクの回線割当を決定することができる。

実施の形態にかかる基地局とのＩＦ４０１、フォワードリンクデータ量取得部４０２、中継局数決定部４０３、追加中継局決定部４０４、回線割当記憶部４０５、および回線割当決定部４０６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１４に示す実施の形態にかかる制御回路を示す図となる。

図１４に示すように、制御回路７００は、ＣＰＵであるプロセッサ７００ａと、メモリ７００ｂとを備える。図１４に示す制御回路７００により実現される場合、プロセッサ７００ａがメモリ７００ｂ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７００ｂは、プロセッサ７００ａ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。

フォワードリンクデータ量取得部４０２は、基地局３から端末１のフォワードリンクのデータ量を取得する。中継局数決定部４０３は、フォワードリンクデータ量取得部４０２で取得した端末１のフォワードリンクデータ量に応じて、端末１が接続する中継局数を決定する。

基地局３の動作について説明する。図１５は、実施の形態にかかる基地局３の機能ブロックを示す図である。基地局３は、無線信号受信部３０１と、復調部３０２と、復号部３０３と、制御局とのＩＦ３０４と、地上回線網とのＩＦ３０５と、信号生成部３０６と、送信タイミング制御部３０７と、送信バッファ３０８と、フォワードリンクデータ量測定部３０９と、符号部３１０と、変調部３１１と、無線信号送信部３１２とを備える。基地局３が備える各機能部はそれぞれ制御回路７００により実現される。

無線信号受信部３０１は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）、およびダウンコンバータを備える。また、無線信号受信部３０１は、端末１が中継局２を介して基地局３へ送信した送信データを受信後、ＲＦ（Radio Frequency）帯からベースバンド帯の電気信号に変換する。復調部３０２は、無線信号受信部３０１から出力される電気信号を復調する。復号部３０３は、復調部３０２により復調された信号を復号する。復号後の受信データが中継局追加可否通知８、もしくは制御フレーム６０１である場合、復号部３０３は、復号後の受信データを制御局とのＩＦ３０４へと出力する。一方、復号後の受信データが端末１からのデータフレーム６０２である場合、復号部３０３は、地上回線網とのＩＦ３０５へと出力する。信号生成部３０６は、データフレーム６０２、制御フレーム６０１、中継局追加要求７、および中継局追加通知９を生成し、これらを送信バッファ３０８へ蓄積する。

送信バッファ３０８からデータフレーム６０２が符号部３１０へ出力されるタイミングは、送信タイミング制御部３０７により制御される。送信タイミング制御部３０７は、制御局４の回線割当決定部４０６により決定されたデータフレーム６０２の出力タイミングに従ってデータフレーム６０２の出力タイミングを制御する。符号部３１０は、送信バッファ３０８から出力されたデータフレーム６０２、制御フレーム６０１、中継局追加要求７、および中継局追加通知９を符号化する。符号部３１０における符号化で用いる符号は、畳込み符号、ＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）符号、ＲＳ（Reed Solomon）符号等を用いることができるが、本実施の形態ではこれらに限定されない。変調部３１１は、符号化されたデータを変調する。変調部３１１における変調方式としては、例えば、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等を用いることができるが、本実施の形態ではこれらに限定されない。無線信号送信部３１２は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ、およびアップコンバータ等を有し、変調部３１１からの出力をベースバンド帯の電気信号からＲＦ帯に変換し、送信アンテナを介して送信データを空間へ放射する。フォワードリンクデータ量測定部３０９は、送信バッファを常時監視しており、基地局３から全ての端末に対するデータフレーム６０２の量を、定期的に制御局４のフォワードリンクデータ量取得部４０２に通知する。

中継局２の動作について説明する。図１６は、実施の形態にかかる中継局２の機能ブロックを示す図である。中継局２は、無線信号受信部２０１−１〜無線信号受信部２０１−ｋと、交換部２０２と、無線信号送信部２０３−１〜無線信号送信部２０３−ｊと、制御部２０４とを備える。なお、図１６では、無線信号受信部２０１−１〜無線信号受信部２０１−ｋは、ｋ個図示しているが、ｋは受信ビームの個数を意味している。以降では、無線信号受信部２０１−１〜無線信号受信部２０１−ｋのそれぞれを区別せずに示すときは、無線信号受信部２０１と称する。同様に、無線信号送信部２０３−１〜無線信号送信部２０３−ｊは、ｊ個図示しているが、ｊは送信ビームの個数を意味している。以降では、無線信号送信部２０３−１〜無線信号送信部２０３−ｊのそれぞれを区別せずに示すときは、無線信号送信部２０３と称する。なお、図１６は、構成例として交換部２０２を有するマルチビーム衛星を図示しているが、これに限定されず、例えば再生中継機能を有し、受信信号を復調後に再度変調して送信する中継局でも良いし、無線信号受信部２０１と無線信号送信部２０３の接続関係が固定で、交換部２０２を有さないベントパイプ型の中継局でも良い。中継局２が備える各機能部はそれぞれ制御回路７００により実現される。

無線信号受信部２０１は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ、およびダウンコンバータを備える。また、無線信号受信部２０１は、端末１もしくは基地局３からの受信データを受信後、ＲＦ帯から交換部２０２が処理可能な帯域の電気信号に交換する。交換部２０２は、無線信号受信部２０１から出力された電気信号を制御部２０４から指定された無線信号送信部２０３のいずれかに出力する。ここで、交換部２０２が再生中継機能を有しても良く、この場合、出力先の情報は制御部２０４から通知されるのではなく、中継するデータの一部に含まれる制御情報を再生して、同等の機能を実現しても良い。無線信号送信部２０３は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ、アップコンバータ等を備え、交換部２０２からの出力をＲＦ帯に変換後、アンテナを介して空間へ放射する。

端末１の動作について説明する。図１７は、実施の形態にかかる端末１の機能ブロックを示す図である。端末１は、無線信号受信部１０１と、復調部１０２と、復号部１０３と、アンテナパターン演算部１０４と、中継局位置取得部１０５と、端末姿勢取得部１０６と、端末座標取得部１０７と、受信ＳＮＲ推定部１０８と、時刻取得部１０９と、通信可能中継局決定部１１０と、信号生成部１１１と、符号部１１２と、変調部１１３と、無線信号送信部１１４とを備える。端末１が備える機能部はそれぞれ制御回路７００により実現される。

無線信号受信部１０１は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ、ダウンコンバータを備える。また、無線信号受信部１０１は、基地局３が中継局２を介して端末１へ送信した信号を受信後、ＲＦ帯からベースバンド帯の電気信号に変換する。復調部１０２は、無線信号受信部１０１から出力される電気信号を復調する。

図１８は、実施の形態にかかる無線信号受信部１０１の機能ブロックを示す図である。無線信号受信部１０１は、アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐと、位相器１２１−１〜位相器１２１−ｐと、スイッチ１２２と、受信モジュール１２３−１〜受信モジュール１２３−ｑとを備える。アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐのそれぞれを区別せずに示すときは、アンテナ１２０と称する。位相器１２１〜位相器１２１−ｐのそれぞれを区別せずに示すときは、位相器１２１と称する。受信モジュール１２３−１〜受信モジュール１２３−ｑのそれぞれを区別せずに示すときは、受信モジュール１２３と称する。

アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐは、アレイアンテナである。アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐは、それぞれ位相器１２１−１〜位相器１２１−ｐと接続する。位相器１２１−１〜位相器１２１−ｐは、それぞれアンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐのアンテナパターンを変更する。スイッチ１２２は、アンテナ１２０の受信信号を任意の組み合わせで合波する。スイッチ１２２は、アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐと接続する。受信モジュール１２３−１〜受信モジュール１２３−ｑは、ＬＮＡまたはダウンコンバータから構成される。受信モジュール１２３−１〜受信モジュール１２３−ｑは、受信信号をＲＦ帯から、復調部１０２で復調できる帯域へ変換する。ここでｎは、アンテナ１２０の開口面の最大分割数を表しており、この開口面の最大分割数が、無線信号受信部１０１で同時に信号を受信可能な中継局の最大数となる。アンテナパターン演算部１０４は、信号を出力することで位相器１２１を制御し、位相器１２１を制御することでアンテナ１２０のアンテナパターンを制御することができる。また、アンテナパターン演算部１０４は、信号を出力することでスイッチ１２２を制御することで、アンテナ１２０の受信信号を任意の組み合わせで合波することが可能となる。例えば、端末１が全開口を用いて１機の中継局を指向したい場合は、アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐの受信信号を合波する。一方で、開口面を分割し、同時に中継局２−１と中継局２−２とを指向したい場合は、アンテナ１２０−１〜アンテナ１２０−ｐ／２までの受信信号を合波後に受信モジュール１２３−１に入力する経路と、アンテナ１２０−（ｍ／２＋１）からアンテナ１２０−ｐまでに受信信号を合波後に受信モジュール１２３−２に入力する経路を形成することで実現できる。

復号部１０３は、復調部１０２により復調された信号を復号する。復号部１０３が制御フレーム６０１を復号した場合、制御フレーム６０１に記載されている情報をアンテナパターン演算部１０４に通知する。なお、復調部１０２と復号部１０３とは同時に受信する信号数の数だけ必要となるが、図１７では便宜的にそれぞれ復調部１０２、復号部１０３と称する。アンテナパターン演算部１０４は、中継局位置取得部１０５で取得した中継局の座標と、端末姿勢取得部１０６で取得した端末１の姿勢情報と、端末座標取得部１０７で取得した端末座標と、受信ＳＮＲ推定部１０８で取得した端末１が中継局２より受信した信号の受信ＳＮＲと、端末１が基地局３より受信した制御フレーム６０１に記載されているデータフレームの送信タイミング情報６１１とを用いて、位相器１２１への制御信号を算出する。ここで、受信ＳＮＲ推定部１０８にて、端末１が取得する中継局２からの受信ＳＮＲの推定方法は、例えば、中継局２から端末１へパイロット信号を送信することで受信ＳＮＲを測定しても良いし、中継局位置取得部１０５で取得した中継局座標と、端末座標取得部１０７で取得した端末座標より計算した端末１と中継局２の距離により概算しても良く、これらの手法に限定されない。

次に、端末１が中継局２−１および中継局２−２の両方からデータフレーム６０２を受信するケースを想定して、アンテナパターン演算部１０４の動作を説明する。図１９は、実施の形態にかかるアンテナパターン演算部１０４の動作の一例を示すフローチャートである。アンテナパターン演算部１０４は、中継局位置取得部１０５より、中継局２−１および中継局２−２の座標を取得する（ステップＳ４−１）。アンテナパターン演算部１０４は、端末姿勢取得部１０６より、端末１の姿勢情報を取得する（ステップＳ４−２）。アンテナパターン演算部１０４は、端末座標取得部１０７から端末１の座標を取得する（ステップＳ４−３）。アンテナパターン演算部１０４は、中継局２−１のデータフレーム６０２の送信タイミング情報６１１を、中継局２−１から受信した制御フレーム６０１を用いて取得する。また、アンテナパターン演算部１０４は、中継局２−２のデータフレーム６０２の送信タイミング情報６１１を、中継局２−２から受信した制御フレーム６０１を用いて取得する（ステップＳ４−４）。

アンテナパターン演算部１０４は、現在の時刻が制御フレーム６０１の受信タイミングかを判定する（ステップＳ４−５）。時刻取得部１０９より取得した現在時刻が、制御フレームを受信するタイミングと判定された場合（ステップＳ４−５，Ｙｅｓ）、アンテナパターン演算部１０４は、受信ＳＮＲ推定部１０８より、端末１が中継局２−１および中継局２−２から受信した信号の受信ＳＮＲの推定値を取得し（ステップＳ４−６）、中継局２−１および中継局２−２の受信ＳＮＲ値が同じになるよう、アンテナ１２０の開口面を分割し、分割した場合の無線信号受信部１０１の位相器１２１の制御信号を計算する（ステップＳ４−７）。一方、現在時刻が制御フレーム６０１の受信タイミングではないと判定された場合（ステップＳ４−５，Ｎｏ）、アンテナパターン演算部１０４は、現在時刻が中継局２−２からのデータフレーム６０２を受信するタイミングかを判定する（ステップＳ４−８）。

判定の結果、現在時刻が中継局２−２からデータフレーム６０２を受信するタイミングである場合（ステップＳ４−８，Ｙｅｓ）、アンテナパターン演算部１０４は、中継局２−２のみを全開口で指向するための、位相器１２１の制御信号を計算する（ステップＳ４−９）。一方、現在時刻が、中継局２−２よりデータフレーム６０２を受信するタイミングではないと判断された場合（ステップＳ４−８，Ｎｏ）、アンテナパターン演算部１０４は、中継局２−１のみを全開口で指向するための、無線信号受信部１０１の位相器１２１の制御信号を計算する（ステップＳ４−１０）。以上、アンテナパターン演算部１０４の一連の処理により、端末１は制御フレーム６０１受信時に開口面を分割することで中継局２−１および中継局２−２より制御フレームを同時に受信し、データフレーム６０２受信時に全開口で中継局２−１および中継局２−２よりデータフレーム６０２を受信することができる。

通信可能中継局決定部１１０は、端末１が中継局追加要求７を受信した時に、中継局位置取得部１０５で取得した中継局２の座標と、端末姿勢取得部１０６で取得した端末１の姿勢情報と、端末座標取得部１０７で取得した端末座標と、受信ＳＮＲ推定部１０８で取得した端末１が中継局２より受信する信号の受信ＳＮＲの推定値とを用いて、端末１が通信可能な中継局２を信号生成部１１１に通知する。信号生成部１１１は、端末１が通信可能な中継局２を記載した中継局追加可否通知８を生成する。符号部１１２は、信号生成部１１から出力された中継局追加可否通知８を符号化する。符号部１１２における符号化で用いる符号は、畳込み符号、ＬＤＰＣ符号、ＲＳ符号等を用いることができるがこれらに限定されない。変調部１１３における変調方式としては、例えば、ＱＰＳＫ、ＱＡＭ、等を用いることができるがこれらに限定されない。無線信号送信部１１４は、指向方向を変更可能なアンテナ、ＬＮＡ、アップコンバータ等を有し、変調部１１３からの出力をベースバンド帯の電気信号からＲＦ帯に変換し、送信アンテナを介して中継局追加可否通知８を空間へ放射する。

以下、通信システム全体でＮ機の中継局２が存在し、Ｎ機の中継局２の中から、端末１が通信可能な中継局２のみを抽出するケースを想定して、通信可能中継局決定部１１０の動作を説明する。図２０は、実施の形態にかかる通信可能中継局決定部１１０の動作の一例を示すフローチャートである。通信可能中継局決定部１１０は、端末姿勢取得部１０６より、端末１の姿勢情報を取得する（ステップＳ５−１）。通信可能中継局決定部１１０は、端末座標取得部１０７より端末の座標を取得する（ステップＳ５−２）。通信可能中継局決定部１１０は、中継局２−ｉの位置情報を中継局位置取得部１０５より取得し（ステップＳ５−３）、ステップＳ５−１で取得した端末の姿勢情報と、ステップＳ５−２で取得した端末の位置情報とを合わせて、中継局２−ｉが端末１の可視範囲に存在するかを判定する（ステップＳ５−４）。ここでｉは、初期値が１であり、ｉがＮになるまで１ずつ加算される値であり、後述するステップＳ５−７の処理の終了後、ステップＳ５−４のＮｏに分岐後、およびステップＳ５−６のＮｏに分岐後にｉは１加算される。また、ｉがＮになるまでステップＳ５−３からステップＳ５−７までの処理を繰り返す。

中継局２−ｉが端末１の可視範囲に存在すると判定された場合（ステップＳ５−４，Ｙｅｓ）、通信可能中継局決定部１１０は、受信ＳＮＲ推定部１０８より端末１が中継局２−ｉより受信した信号の受信ＳＮＲの推定値を取得し（ステップＳ５−５）、受信ＳＮＲの推定値が、端末１と中継局２−ｉとの間で回線が成立するのに必要となるＳＮＲの最低値より高いかを判定する（ステップＳ５−６）。受信ＳＮＲの推定値が、端末１と中継局２−ｉとの間で回線が成立するのに必要となるＳＮＲの最低値より高いと判定された場合（ステップＳ５−６，Ｙｅｓ）、通信可能中継局決定部１１０は、中継局２−ｉを端末１が通信可能な端末として判定する（ステップＳ５−７）。中継局２−ｉが端末１の可視範囲に存在しないと判定された場合（ステップＳ５−４，Ｎｏ）、処理はステップＳ５−７の処理後のフローへ進む。受信ＳＮＲの推定値が、端末１と中継局２−ｉとの間で回線が成立するのに必要となるＳＮＲの最低値以下と判定された場合（ステップＳ５−６，Ｎｏ）、処理はステップＳ５−７の処理後のフローへ進む。以上、ステップＳ５−３からステップＳ５−７の処理を通信システム全体に含まれる中継局Ｎ機に対して行うことで、端末１が通信可能なすべての中継局を抽出することができる。

以上、説明したように、本実施の形態では、制御局４は、端末１が中継局２−１および中継局２−２からのデータフレーム６０２を、全開口面で受信できるよう、異なる時間スロットに割当てる。一方、回線マージンが大きい制御フレーム６０１は、システムにより送信タイミングが既知であるため、端末１は受信アンテナの開口面を分割し、中継局２−１および中継局２−２を同時に指向することで、中継局２−１および中継局２−２より同時に受信する。このようにすることで、端末１の受信アンテナは回路規模を増やすことなく、アレイアンテナの個々の素子に励振係数を乗算する回路をビーム数分用意する必要がなくなる。また、複数の中継局からデータフレーム６０２を全開口で受信でき、端末１のビーム利得の低下の抑制を抑制することができる。また、ビーム利得の低下を抑制することができるため、端末１のスループットの低下を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。

１，１−１〜１−Ｌ 端末、２，２−１〜２−ｍ 中継局、３，３−１〜３−ｍ 基地局、４ 制御局、５ 地上回線網、６，６−１，６−２ 信号、７ 中継局追加要求、８ 中継局追加可否通知、９ 中継局追加通知、１０ 中継局解放通知、１０１ 無線信号受信部、１０２ 復調部、１０３ 復号部、１０４ アンテナパターン演算部、１０５ 中継局位置取得部、１０６ 端末姿勢取得部、１０７ 端末座標取得部、１０８ 受信ＳＮＲ推定部、１０９ 時刻取得部、１１０ 通信可能中継局決定部、１１１ 信号生成部、１１２，３１０ 符号部、１１３，３１１ 変調部、１１４，２０３，２０３−１〜２０３−ｊ，３１２ 無線信号送信部、１２０，１２０−１〜１２０−ｐ アンテナ、１２１，１２１−１〜１２１−ｐ 位相器、１２２ スイッチ、１２３，１２３−１〜１２３−ｑ 受信モジュール、２０１，２０１−１〜２０１−ｋ 無線信号受信部、２０２ 交換部、２０４ 制御部、３０１ 無線信号受信部、３０２ 復調部、３０３ 復号部、３０４ 制御局とのＩＦ、３０５ 地上回線網とのＩＦ、３０６ 信号生成部、３０７ 送信タイミング制御部、３０８ 送信バッファ、３０９ フォワードリンクデータ量測定部、４０１ 基地局とのＩＦ、４０２ フォワードリンクデータ量取得部、４０３ 中継局数決定部、４０４ 追加中継局決定部、４０５ 回線割当記憶部、４０６ 回線割当決定部、５００ 衛星通信システム、６０１ 制御フレーム、６０２ データフレーム、６１１ 送信タイミング情報、７００ 制御回路、７００ａ プロセッサ、７００ｂ メモリ、８０１ 中継局ＩＤリスト、８０２ 受信ＳＮＲの推定値、９０１ 追加する中継局ＩＤ、１００１ 解放する中継局ＩＤ。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端末の回路規模を抑制し、ビーム利得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、端末に制御フレームを他の中継局と同一の時間スロットで送信し、データフレームを他の中継局と異なる時間スロットで送信する無線信号送信部を備えることを特徴とする。

Claims (7)

1. 開口面を有するアレイアンテナと、
   制御フレームを受信する時は前記開口面を分割し、分割されたそれぞれの前記開口面を複数の中継局のそれぞれに指向させ、データフレームを受信する時は前記開口面を単一の前記中継局を指向させる前記アレイアンテナのアンテナパターンを算出するアンテナパターン演算部と、
   を備えることを特徴とする端末。
2. 接続可能な前記中継局の識別情報を含む通知を生成する信号生成部を備えることを特徴とする請求項１に記載の端末。
3. 端末に制御フレームを他の中継局と同一の時間スロットで送信し、データフレームを前記他の中継局と異なる時間スロットで送信する無線信号送信部を備えることを特徴とする中継局。
4. 請求項１または２に記載の端末のフォワードリンクのデータ量を取得するフォワードリンクデータ量取得部と、
   前記データ量を用いて、前記端末が接続する中継局の数を決定する中継局数決定部と、
   を備えることを特徴とする制御局。
5. 前記端末が接続可能な前記中継局の負荷状況と前記中継局の識別情報とを用いて、前記端末が追加で接続する前記中継局を決定する追加中継局決定部を備えることを特徴とする請求項４に記載の制御局。
6. 複数の前記中継局の間の距離の差により生じる伝搬遅延を考慮して制御フレームとデータフレームの時間スロットを決定する回線割当決定部を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の制御局。
7. 制御フレームとデータフレームとを含む信号を受信する請求項１または２に記載の端末と、
   前記信号を送信する複数の請求項３に記載の中継局と、
   前記端末と複数の前記中継局との接続を制御する請求項４から６のいずれか１つに記載の制御局と、
   を有することを特徴とする衛星通信システム。

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