KR102067370B1

KR102067370B1 - 제5세대 통신의 3차원화

Info

Publication number: KR102067370B1
Application number: KR1020197029269A
Authority: KR
Inventors: 준이치 미야카와; 키요시 키무라
Original assignee: 소프트뱅크 가부시키가이샤
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2018-03-17
Publication date: 2020-01-16
Also published as: AU2018237814B2; AU2018237814A1; MA49266A; EP3606128A4; KR20190118673A; CA3057281C; SA519410143B1; ZA201906075B; EP3606128B1; US20200028570A1; BR112019019093A2; AU2018237814C1; IL268989B; IL268989A; BR112019019093B1; CA3057281A1; WO2018173983A1; US10651922B2; JP2018157522A; EP3606128A1

Abstract

무선 통신의 전반 지연이 낮은 제5세대 이동 통신의 3차원화 네트워크를 실현할 수가 있는 통신 시스템을 제공한다. 통신 시스템은, 단말 장치와의 무선 통신을 중계하는 무선 중계국을 구비한다. 상기 무선 중계국은, 자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 고도가 100[km] 이하인 부양 공역에 위치하도록 제어되는 부양체에 설치되고, 부양체가 상기 부양 공역에 위치할 때, 상기 무선 중계국은, 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성한다.

Description

제5세대 통신의 3차원화

본 발명은 제5세대 통신의 3차원화에 관한 것이다.

종래, 이동 통신 시스템의 통신규격인 3GPP의 LTE(Long Term Evolution)-Advanced(비특허 문헌 1 참조)를 발전시킨 LTE-AdvancedPro로 불리는 통신규격이 알려져 있다(비특허 문헌 2 참조). 이 LTE-AdvancedPro에서는, 근년의 IoT(Internet of Things)용 디바이스에의 통신을 제공하기 위한 사양이 책정되었다. 또한, IoT 전용 디바이스 등의 다수의 단말 장치(「UE(사용자 장치)」, 「이동국」, 「통신 단말」이라고도 한다.)에의 동시 접속이나 저지연화 등에 대응하는 제5세대의 이동 통신이 검토되고 있다(예를 들면, 비특허 문헌 3 참조).

3GPP TS36. 300V10.12.0(2014-12). 3GPP TS36. 300V13.5.0(2016-09). G. Romano, 「3GPP RAN progress on 〃5G〃」, 3GPP, 2016.

상기 제5세대 이동 통신 등에 있어서 IoT 전용 디바이스를 포함하는 단말 장치와의 사이의 무선 통신에서, 전반 지연이 낮고, 광범위의 다수의 단말과 동시 접속할 수 있고, 고속 통신 가능하고, 단위 면적당의 시스템 용량이 큰 3차원화한 네트워크를 실현하고자 하는 과제가 있다.

본 발명의 한 태양과 관련되는 통신 시스템은, 단말 장치와의 무선 통신을 중계하는 무선 중계국을 구비하는 통신 시스템으로서, 상기 무선 중계국은, 자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 지면 또는 해면으로부터 100[km] 이하인 부양 공역(空域)에 위치하도록 제어되는 부양체에 설치되고, 상기 부양체가 상기 부양 공역에 위치할 때, 상기 무선 중계국은, 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성한다.

본 발명의 다른 태양과 관련되는 부양체는, 단말 장치와의 무선 통신을 중계하는 무선 중계국이 설치된 부양체로서, 자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 고도가 100[km] 이하인 부양 공역에 위치하도록 제어되고, 상기 부양체가 상기 부양 공역에 위치할 때, 상기 무선 중계국은, 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성한다.

상기 통신 시스템에 있어서, 상기 부양체에 설치된 무선 중계국을 복수 구비하고, 상기 복수의 무선 중계국은 각각, 상기 단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔을 지면 또는 해면을 향해 형성하고, 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서 서로 이웃하게 되는 복수의 빔은 부분적으로 겹쳐져 있어도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 복수의 빔은, 상기 셀 형성 목표 공역의 상단면의 전체를 커버하도록 형성되어 있어도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 복수의 빔은 원추 형상으로 형성되고, 그 빔(beam)의 발산각을 θ[rad]으로 하고, 상기 부양체의 무선 중계국의 고도를 Hrs[m]로 하고, 상기 복수의 무선 중계국의 수평 방향의 간격을 Drs[m]로 하고, 상기 셀(cell) 형성 목표 공역의 상단의 고도를 Hcu[m]로 했을 때, 다음의 식 (1)을 만족하도록 해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 셀 형성 목표 공역의 하단의 고도를 Hcl[m]로 하고, 상기 부양체의 무선 중계국과 상기 단말 장치와의 사이의 무선 신호의 최대 도달 가능 거리를 Lmax[m]로 했을 때, 다음의 식 (2)을 만족하도록 해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템에 있어서, 단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔을 상기 셀 형성 목표 공역을 향해 형성하는 지상 또는 해상의 무선 중계국을 구비해도 좋다. 이 지상 또는 해상의 무선 중계국은, 상기 셀 형성 목표 공역 중에서 상기 부양체측의 무선 중계국에서 형성되는 빔이 통과하지 않는 부분에 빔을 형성해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템에 있어서, 상기 부양체의 무선 중계국과 직접 또는 인공위성을 통해 무선 통신하는 지상 또는 해상의 피더국(feeder station)을 구비해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템에 있어서, 상기 부양체 및 상기 무선 중계국의 적어도 일방을 원격적으로 제어하는 원격 조정 장치를 구비해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 무선 중계국이 설치된 부양체는, 그 부양체의 하방에 위치하는 지면의 표고에 기초하여, 당해 지면에 대한 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서의 3차원 셀의 고도가 소정 고도로 유지되도록 위치 제어되어도 좋다.

또, 상기 통신 시스템에 있어서, 상기 부양체에 설치된 무선 중계국의 위치, 그 무선 중계국에 의해 형성되는 빔의 방향 및 확산 각도를 제어하는 원격 조정 장치를 구비해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 셀 형성 목표 공역의 고도는 10[km] 이하라도 좋다. 또, 상기 셀 형성 목표 공역의 고도는 50[m] 이상 및 1[km] 이하라도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 무선 중계국을 설치한 부양체는, 고도가 11[km] 이상 및 50[km] 이하의 성층권에 위치해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 무선 중계국은, 이동 통신망의 기지국 또는 리피터(repeater)라도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 무선 중계국은, 에지 컴퓨팅부(edge computing part)를 가져도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 부양체는, 상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 배터리를 구비해도 좋고, 상기 무선 중계국에 공급하는 전력을 발전하는 태양광 발전 장치를 구비해도 좋다.

또, 상기 통신 시스템 및 상기 부양체에 있어서, 상기 부양체는, 상기 무선 중계국에 공급하는 전력을 발전하는 태양광 발전 패널이 설치된 날개와 상기 날개에 설치된 회전 구동 가능한 프로펠러를 구비한 태양 전지 동력의 비행기, 또는 상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 배터리를 구비한 비행선이라도 좋다.

본 발명에 의하면, 무선 통신의 전반 지연이 낮은 제5세대 이동 통신의 3차원화 네트워크를 실현할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 3차원화 네트워크를 실현하는 통신 시스템의 전체 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는 다른 실시 형태와 관련되는 3차원화 네트워크를 실현하는 통신 시스템의 전체 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 3은 실시 형태의 3차원화 네트워크를 실현하는 HAPS의 위치와 각 HAPS에서 형성하는 빔과 3차원 셀과의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 4는 실시 형태의 통신 시스템에 이용되는 HAPS의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 5는 실시 형태의 통신 시스템에 이용되는 HAPS의 다른 예를 나타내는 측면도이다.
도 6은 실시 형태의 HAPS의 무선 중계국의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 7은 실시 형태의 HAPS의 무선 중계국의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 8은 실시 형태의 HAPS의 무선 중계국의 또 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 9는 계절에 따른 통상 HAPS 및 고위도 대응 HAPS의 선택 이용의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 10은 실시 형태의 고위도 대응 HAPS에 대한 원격 에너지(energy) 빔 급전의 모습의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 11은 실시 형태의 고위도 대응 HAPS의 원격 에너지 빔 수전부(受電部)의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 실시 형태의 솔라(solar) 급전 및 원격 에너지 빔 급전에 대응 가능한 고위도 대응 HAPS에 있어서의 급전 제어계의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태와 관련되는 통신 시스템의 전체 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다. 본 실시 형태와 관련되는 통신 시스템은, 다수의 단말 장치(「이동국」, 「이동기」 또는 「사용자 장치(UE)」라고도 한다.)에의 동시 접속이나 저지연화 등에 대응하는 제5세대 이동 통신의 3차원화 네트워크의 실현에 적합하다. 또한 본 명세서에 개시하는 통신 시스템, 무선 중계국, 기지국, 리피터(repeater) 및 단말 장치에 적용 가능한 이동 통신의 표준 규격은, 제5세대의 이동 통신의 표준 규격, 및 제5세대 이후의 차차세대의 이동 통신의 표준 규격을 포함한다.

도 1에 나타내듯이, 통신 시스템은, 복수의 고고도 플랫폼국(platform station)(HAPS)(「고고도 의사(疑似) 위성」이라고도 한다.)(10, 20)를 구비하고, 소정 고도의 셀 형성 목표 공역(40)에, 도 중에서 헤칭(hatching) 영역으로 가리키는 것 같은 3차원 셀(3차원 에리어(area))(41, 42)을 형성한다. HAPS(10, 20)는, 자율 제어 또는 외부로부터의 제어에 의해 지면 또는 해면으로부터 100[km] 이하의 고고도의 부양 공역(이하, 단지 「공역」이라고도 한다.)(50)에 부유하여 위치하도록 제어되는 부양체(예를 들면, 태양 전지 동력의 비행기, 비행선)에 무선 중계국이 탑재된 것이다.

HAPS(10, 20)가 위치하는 공역(50)은, 예를 들면 고도가 11[km] 이상 및 50[km] 이하의 성층권의 공역이다. HAPS(10, 20)가 위치하는 공역(50)은, 기상 조건이 비교적 안정되어 있는 고도가 15[km] 이상 및 25[km] 이하의 범위의 공역이라도 좋고, 특히 고도가 거의 20[km]의 공역이라도 좋다. 도 중의 Hrsl 및 Hrsu는 각각, 지면(GL)을 기준으로 한 HAPS(10, 20)가 위치하는 공역(50)의 하단 및 상단의 상대적인 고도를 나타내고 있다.

셀 형성 목표 공역(40)은, 본 실시 형태의 통신 시스템에 있어서의 하나 또는 복수의 HAPS에서 3차원 셀을 형성하는 목표의 공역이다. 셀 형성 목표 공역(40)은, HAPS(10, 20)가 위치하는 공역(50)과 종래의 매크로(macro) 셀 기지국 등의 기지국(90)이 커버하는 지면 근방의 셀 형성 영역과의 사이에 위치하는, 소정 고도 범위(예를 들면, 50[m] 이상 및 1000[m] 이하의 고도 범위)의 공역이다. 도 중의 Hcl 및 Hcu는 각각, 지면(GL)을 기준으로 한 셀 형성 목표 공역(40)의 하단 및 상단의 상대적인 고도를 나타내고 있다.

또한, 본 실시 형태의 3차원 셀이 형성되는 셀 형성 목표 공역(40)은, 바다, 강 또는 호수의 상공이라도 좋다.

HAPS(10, 20)의 무선 중계국은 각각, 이동국인 단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔(100, 200)을 지면을 향해 형성한다. 단말 장치는, 원격 조종 가능한 소형의 헬리콥터인 무선 조정 무인기(60)에 조립되어 넣어진 통신 단말 모듈이라도 좋고, 비행기(65) 안에서 사용자가 사용하는 사용자 단말 장치라도 좋다. 셀 형성 목표 공역(40)에 있어서 빔(100, 200)이 통과하는 영역이 3차원 셀(41, 42)이다. 셀 형성 목표 공역(40)에 있어서 서로 이웃하게 되는 복수의 빔(100, 200)은 부분적으로 겹쳐져도 좋다.

HAPS(10, 20)의 무선 중계국은 각각, 지상 또는 해상에 설치된 중계국인 피더국(70)을 통하여 이동 통신망(80)의 코어(core) 네트워크에 접속되어 있다.

HAPS(10, 20)는 각각, 내부에 조립되어 넣어진 컴퓨터 등으로 구성된 제어부가 제어 프로그램을 실행함으로써, 자신의 부양 이동(비행)이나 무선 중계국에서의 처리를 자율 제어해도 좋다. 예를 들면, HAPS(10, 20)는 각각, 자신의 현재 위치 정보(예를 들면, GPS 위치 정보), 미리 기억한 위치 제어 정보(예를 들면, 비행 스케줄 정보), 주변에 위치하는 다른 HAPS의 위치 정보 등을 취득하고, 이들 정보에 기초하여 부양 이동(비행)이나 무선 중계국에서의 처리를 자율 제어해도 좋다.

또, HAPS(10, 20) 각각의 부양 이동(비행)이나 무선 중계국에서의 처리는, 이동 통신망(80)의 통신 센터 등에 설치된 통신 오퍼레이터(operator)의 원격 조정 장치(85)에 의해 제어할 수 있도록 해도 좋다. 이 경우, HAPS(10, 20)는, 원격 조정 장치(85)로부터의 제어 정보를 수신할 수 있도록 단말 통신 장치(예를 들면, 이동 통신 모듈)가 조립되어 넣어지고, 원격 조정 장치(85)로부터 식별할 수 있도록 단말 식별 정보(예를 들면, IP 주소, 전화 번호 등)를 할당할 수 있도록 해도 좋다. 또, HAPS(10, 20)는 각각, 자신 또는 주변의 HAPS의 부양 이동(비행)이나 무선 중계국에서의 처리에 관한 정보를 원격 조정 장치(85) 등의 소정의 송신지에 송신하도록 해도 좋다.

셀 형성 목표 공역(40)에서는, HAPS(10, 20)의 빔(100, 200)이 통과하고 있지 않는 영역(3차원 셀(41, 42)가 형성되지 않는 영역)이 발생할 우려가 있다. 이 영역을 보완하기 위해, 도 1의 구성예의 같이, 지상측 또는 해상측으로부터 상방을 향해 방사상의 빔(300)을 형성하고 3차원 셀(43)을 형성하여 ATG(Air To Ground) 접속을 행하는 기지국(이하 「ATG국」이라고 한다.)(30)을 구비해도 좋다.

또, ATG국을 이용하지 않고, HAPS(10, 20)의 위치나 빔(100, 200)의 발산각(빔(beam) 폭) 등을 조정함으로써, HAPS(10, 20)의 무선 중계국이, 셀 형성 목표 공역(40)에 3차원 셀이 빠짐없이 형성되도록, 셀 형성 목표 공역(40)의 상단면의 전체를 커버하는 빔(100, 200)을 형성해도 좋다.

도 2는 다른 실시 형태와 관련되는 3차원화 네트워크를 실현하는 통신 시스템의 전체 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다. 도 2의 예에서는, 3차원화 네트워크가 형성되는 장소가, 지면(GL)의 기복이 있어 표고가 변동하고 있는 내륙부나 산악 지대의 경우의 예이다. 이 경우, 지면의 표고에 관계없이, 지면(GL)으로부터의 셀 형성 목표 공역(40)의 상대적인 고도가 일정하게 유지되도록, 하부에 위치하는 지면의 표고(지형 데이터)에 기초하여 HAPS(10)의 고도가 제어된다. 예를 들면, 표고가 낮은 평야부에서는 HAPS(10)의 고도를 20[km]로 제어하고, 평지보다 3000[m] 정도 표고가 높은 산악 지대에서는 HAPS(10)의 고도를 23[km]로 제어한다. 이에 의해 평야부 및 산악 지대의 어느 것에 있어서도, 지면으로부터 높이가 일정한 거의 같은 사이즈의 3차원 셀(41)을 형성할 수가 있어, 셀 형성 목표 공역(40)의 상단면에 있어서의 빔(100)의 스폿(spot)의 크기도 일정하게 유지할 수가 있다. 또, HAPS(10)는, HAPS(10)의 고도의 제어에 대신하여 또는 그 고도의 제어에 더하여, 하방의 지면의 기복에 따라 거의 같은 사이즈의 3차원 셀(41)을 형성하도록, 빔(100)의 발산각(빔 폭)이나 빔의 방향을 미세 조정(트랙킹(tracking))해도 좋다.

도 3은 실시 형태의 3차원화 네트워크를 실현하는 HAPS(10, 20)의 위치와 각 HAPS(10, 20)에서 형성하는 빔(100, 200)과 3차원 셀(41, 42)과의 관계를 나타내는 설명도이다. HAPS(10, 20)에 의한 3차원 셀(41, 42)의 형성은, 예를 들면 이하와 같이 제어된다.

HAPS(10)(무선 중계국)의 고도를 Hrs1[m]로 하고, 셀 형성 목표 공역(40)의 상단의 고도를 Hcu[m]로 하면, HAPS(10)와 셀 형성 목표 공역(40)의 상단과의 고도차는 ΔH1=Hrs1-Hcu[m]이다. HAPS(10)로부터 연직 방향의 하방을 향해 형성되는 원추 형상의 빔(100)의 발산각을 θ1[rad]로 하면, 셀 형성 목표 공역(40)의 상단에 있어서의 빔(100)의 반경 R1[m]은 다음의 식 (3)으로 나타난다.

또, HAPS(20)(무선 중계국)의 고도를 Hrs2[m]로 하면, HAPS(20)와 셀 형성 목표 공역(40)의 상단과의 고도차는 ΔH2=Hrs2-Hcu[m]이다. HAPS(20)로부터 연직 방향의 하방을 향해 형성되는 원추 형상의 빔(200)의 발산각을 θ2[rad]로 하면, 셀 형성 목표 공역(40)의 상단에 있어서의 빔(200)의 반경 R2[m]는 다음의 식 (4)로 나타난다.

HAPS(10)(무선 중계국)과 HAPS(20)(무선 중계국)의 수평 방향의 간격을 Drs[m]로 하면, HAPS(10, 20)의 빔(100, 200)에 의해 셀 형성 목표 공역(40)의 상단면의 전체를 커버하기 위한 조건식은, 다음의 식 (5)와 같이 된다.

여기서, HAPS(10)의 고도 Hrs1 및 HAPS(20)의 고도 Hrs2가 동일 고도(Hrs)이며, 각 빔의 발산각 θ1, θ2가 동일 각도(θ)라고 가정하면, HAPS(10, 20)의 빔(100, 200)에 의해 셀 형성 목표 공역(40)의 상단면의 전체를 커버하기 위한 조건식은, 다음의 식 (6)과 같이 된다.

상기 식 (5) 또는 식 (6)을 만족하도록, 각 HAPS(10, 20)의 고도, 빔(100, 200)의 발산각(빔 폭) 및 HAPS(10, 20)의 수평 방향의 간격 Drs의 적어도 하나를 조정·제어함으로써, HAPS(10, 20)의 빔(100, 200)에 의해 셀 형성 목표 공역(40)의 상단면의 전체를 커버할 수가 있다.

또한, HAPS(10, 20)의 빔(100, 200) 각각의 중심선의 방향이 연직 방향으로부터 기울어져 있는 경우는, 그 기울기의 각도를 고려하여 상기 조건식 (5) 및 조건식 (6)을 도출하여 설정하면 좋다.

또, HAPS(10, 20)의 무선 중계국과 단말 장치와의 사이에 무선 신호(전파)를 소정 강도로 수신할 수 있는 최대 도달 가능 거리는 유한(예를 들면, 100[km])이다. 그 최대 도달 가능 거리를 Lmax[m]로 하고, 셀 형성 목표 공역(40)의 하단의 고도를 Hcl[m]로 하면, HAPS(10, 20) 각각과 셀 형성 목표 공역(40)의 하단에 위치하는 단말 장치가 서로 통신할 수가 있는 조건식은, 다음의 식 (7) 및 식 (8)로 나타난다.

여기서, HAPS(10)의 고도 Hrs1 및 HAPS(20)의 고도 Hrs2가 동일 고도(Hrs)이며, 각 빔의 발산각 θ1, θ2가 동일 각도(θ)라고 가정하면, HAPS(10, 20) 각각과 셀 형성 목표 공역(40)의 하단에 위치하는 단말 장치가 서로 통신할 수가 있는 조건식은, 다음의 식 (9)과 같이 된다.

상기 식 (7), 식 (8) 또는 식 (9)을 만족하도록, 각 HAPS(10, 20)의 고도 및 빔(100, 200)의 발산각(빔 폭)이 적어도 하나를 조정·제어함으로써, HAPS(10, 20) 각각과 셀 형성 목표 공역(40)의 하단에 위치하는 단말 장치가 확실하게 통신할 수가 있다.

또한, 상기 HAPS(10, 20)에서 형성하는 3차원 셀은, 지상 또는 해상에 위치하는 단말 장치와의 사이라도 통신할 수 있도록 지면 또는 해면에 이르도록 형성해도 좋다.

도 4는 실시 형태의 통신 시스템에 이용되는 HAPS(10)의 일례를 나타내는 사시도이다. 도 4의 HAPS(10)는 태양 전지 동력의 비행기 타입의 HAPS이다. 상면에 태양광 발전 기능을 가지는 태양광 발전부로서의 태양 전지판(102)이 설치되고 긴 방향의 양단부측이 상방으로 젖혀진 주 날개부(101)와, 주 날개부(101)의 짧은 방향의 일단연부(一端緣部)에 버스 동력계의 추진 장치로서의 복수의 모터 구동의 프로펠러(103)을 구비한다. 주 날개부(101)의 하면의 긴 방향의 2개소에는, 판형상의 연결부(104)를 통하여 미션(mission) 기기가 수용되는 복수의 기기 수용부로서의 포드(pod)(105)가 연결되어 있다. 각 포드(105)의 내부에는, 미션 기기로서의 무선 중계국(110)과 배터리(106)가 수용되어 있다. 또, 각 포드(105)의 하면측에는 이발착시에 사용되는 차륜(107)이 설치되어 있다. 태양 전지판(102)으로 발전된 전력은 배터리(106)에 축전되고, 배터리(106)로부터 공급되는 전력에 의해 프로펠러(103)의 모터가 회전 구동되고, 무선 중계국(110)에 의한 무선 중계 처리가 실행된다.

태양 전지 동력의 비행기 타입의 HAPS(10)는, 예를 들면 선회 비행을 행하거나 8자 비행을 행하거나 함으로써 양력으로 부양하고, 소정의 고도에서 수평 방향의 소정의 범위에 체재하도록 부양할 수가 있다. 또한 태양 전지 동력의 비행기 타입의 HAPS(10)는, 프로펠러(103)가 회전 구동되어 있지 않을 때에는 글라이더와 같이 날 수도 있다. 예를 들면, 주간 등의 태양 전지판(102)의 발전에 의해 배터리(106)의 전력이 남아 있을 때에는 높은 위치로 상승하고, 야간 등의 태양 전지판(102)으로 발전할 수 없을 때에는 배터리(106)로부터 모터에의 급전을 정지하고 글라이더와 같이 날 수가 있다.

도 5는 실시 형태의 통신 시스템에 이용되는 HAPS(20)의 다른 예를 나타내는 사시도이다. 도 5의 HAPS(20)는 무인 비행선 타입의 HAPS이며, 유료 하중이 크기 때문에 대용량의 배터리를 탑재할 수가 있다. HAPS(20)는 부력으로 부양하기 위한 헬륨 가스 등의 기체가 충전된 비행선 본체(201)와, 버스 동력계의 추진 장치로서의 모터 구동의 프로펠러(202)와, 미션 기기가 수용되는 기기 수용부(203)을 구비한다. 기기 수용부(203)의 내부에는, 무선 중계국(210)과 배터리(204)가 수용되어 있다. 배터리(204)로부터 공급되는 전력에 의해 프로펠러(202)의 모터가 회전 구동되고, 무선 중계국(210)에 의한 무선 중계 처리가 실행된다.

또한, 비행선 본체(201)의 상면에, 태양광 발전 기능을 가지는 태양 전지판을 설치하여 태양 전지판으로 발전된 전력을 배터리(204)에 축전하도록 해도 좋다.

도 6은 실시 형태의 HAPS(10, 20)의 무선 중계국(110, 210)의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 6의 무선 중계국(110, 210)은 리피터(repeater) 타입의 무선 중계국의 예이다. 무선 중계국(110, 210)은 각각, 3D(Dimension) 셀(3차원 셀) 형성 안테나부(111)와, 송수신부(112)와, 피드용 안테나부(113)와, 송수신부(114)와, 리피터부(115)와, 감시 제어부(116)와, 전원부(117)를 구비한다.

3D 셀 형성 안테나부(111)는, 셀 형성 목표 공역(40)을 향해 방사상의 빔(100, 200)을 형성하는 안테나를 가지고, 단말 장치와 통신 가능한 3차원 셀(41, 42)을 형성한다. 송수신부(112)는, 송수 공용기(DUP : Duplexer)나 증폭기 등을 가지고, 3D 셀 형성 안테나부(111)를 통하여 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 단말 장치에 무선 신호를 송신하거나 단말 장치로부터 무선 신호를 수신하거나 한다.

피드용 안테나부(113)는, 지상 또는 해상의 피더국(70)과 무선 통신하기 위한 지향성 안테나를 가진다. 송수신부(114)는, 송수 공용기(DUP : Duplexer)나 증폭기 등을 가지고, 3D 셀 형성 안테나부(111)를 통하여 피더국(70)에 무선 신호를 송신하거나 피더국(70)으로부터 무선 신호를 수신하거나 한다.

리피터부(115)는, 단말 장치와의 사이에 송수신 되는 송수신부(112)의 신호와, 피더국(70)과의 사이에 송수신 되는 송수신부(114)의 신호를 중계한다. 리피터부(115)는, 주파수 변환 기능을 가져도 좋다.

감시 제어부(116)는, 예를 들면 CPU 및 메모리 등으로 구성되고, 미리 조립되어 넣어진 프로그램을 실행함으로써, HAPS(10, 20) 내의 각각의 부의 동작 처리 상황을 감시하거나 각각의 부를 제어하거나 한다. 전원부(117)는, 배터리(106, 204)로부터 출력된 전력을 HAPS(10, 20) 내의 각각의 부에 공급한다. 전원부(117)는, 태양광 발전 패널 등으로 발전한 전력이나 외부로부터 급전된 전력을 배터리(106, 204)에 축전시키는 기능을 가져도 좋다.

도 7은 실시 형태의 HAPS(10, 20)의 무선 중계국(110, 210)의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 7의 무선 중계국(110, 210)은 기지국 타입의 무선 중계국의 예이다. 또한 도 7에 있어서, 도 6과 마찬가지의 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도 7의 무선 중계국(110, 210)은 각각, 모뎀부(118)를 더 구비하고, 리피터부(115)의 대신에 기지국 처리부(119)를 구비한다.

모뎀부(118)는, 예를 들면 피더국(70)으로부터 피드용 안테나부(113) 및 송수신부(114)를 통해 수신한 수신 신호에 대해서 복조 처리 및 복호(decode) 처리를 실행하고, 기지국 처리부(119)측으로 출력하는 데이터 신호를 생성한다. 또, 모뎀부(118)는, 기지국 처리부(119)측으로부터 수신한 데이터 신호에 대해서 부호화(encode) 처리 및 변조 처리를 실행하고, 피드용 안테나부(113) 및 송수신부(114)를 통해 피더국(70)에 송신하는 송신 신호를 생성한다.

기지국 처리부(119)는, 예를 들면 LTE/LTE-Advanced의 표준 규격에 준거한 방식에 기초하여 전용선 접속 시스템 처리를 행하는 e-NodeB로서의 기능을 가진다. 기지국 처리부(119)는, 제5세대 또는 제5세대 이후의 차차세대 등의 장래의 이동 통신의 표준 규격에 준거하는 방식으로 처리하는 것이라도 좋다.

기지국 처리부(119)는, 예를 들면 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 단말 장치로부터 3D(Dimension) 셀 형성 안테나부(111) 및 송수신부(112)를 통해 수신한 수신 신호에 대해서 복조 처리 및 복호 처리를 실행하고, 모뎀부(118)측으로 출력하는 데이터 신호를 생성한다. 또, 기지국 처리부(119)는, 모뎀부(118)측으로부터 수신한 데이터 신호에 대해서 부호화(encode) 처리 및 변조 처리를 실행하고, 3D(Dimension) 셀 형성 안테나부(111) 및 송수신부(112)를 통해 3차원 셀(41, 42)의 단말 장치에 송신하는 송신 신호를 생성한다.

도 8은 실시 형태의 HAPS(10, 20)의 무선 중계국(110, 210)의 또 다른 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 8의 무선 중계국(110, 210)은 에지 컴퓨팅(edge computing) 기능을 가지는 고기능의 기지국 타입의 무선 중계국의 예이다. 또한 도 8에 있어서, 도 6, 7과 마찬가지의 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도 8의 무선 중계국(110, 210)은 각각, 도 7의 구성 요소에 더하여 에지 컴퓨팅부(120)를 더 구비한다.

에지 컴퓨팅부(120)는, 예를 들면 소형의 컴퓨터로 구성되고, 미리 조립되어 넣어진 프로그램을 실행함으로써, HAPS(10, 20)의 무선 중계국(110, 210)에 있어서의 무선 중계 등에 관한 각종의 정보 처리를 실행할 수가 있다.

예를 들면, 에지 컴퓨팅부(120)는, 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 단말 장치로부터 수신한 데이터 신호에 기초하여, 그 데이터 신호의 송신지를 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여 통신의 중계처를 절체하는 처리를 실행한다. 보다 구체적으로는, 기지국 처리부(119)로부터 출력된 데이터 신호의 송신지가 자신의 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 단말 장치인 경우는, 그 데이터 신호를 모뎀부(118)에 건네주지 않고, 기지국 처리부(119)로 되돌려 자신의 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 송신지의 단말 장치에 송신하도록 한다. 한편, 기지국 처리부(119)로부터 출력된 데이터 신호의 송신지가 자신의 3차원 셀(41, 42) 이외의 다른 셀에 재권하는 단말 장치인 경우는, 그 데이터 신호를 모뎀부(118)에 건네주어 피더국(70)에 송신하고, 이동 통신망(80)을 통해 송신지의 다른 셀에 재권하는 송신지의 단말 장치에 송신하도록 한다.

에지 컴퓨팅부(120)는, 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 다수의 단말 장치로부터 수신한 정보를 분석하는 처리를 실행해도 좋다. 이 분석 결과는 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 다수의 단말 장치에 송신하거나 이동 통신망(80)의 서버 등에 송신하거나 해도 좋다.

무선 중계국(110, 210)을 통한 단말 장치와 무선 통신의 상향 링크와 하향 링크의 복신(複信) 방식은 특정 방식에 한정되지 않고, 예를 들어, 시분할 복신(Time Division Duplex : TDD ) 방식이라도 좋고, 주파수 분할 복신(Frequency Division Duplex : FDD) 방식이라도 좋다. 또한 무선 중계국(110, 210)을 통한 단말 장치와 무선 통신의 접속(access) 방식은 특정 방식에 한정되지 않고, 예를 들면 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 방식, TDMA(Time Division Multiple Access) 방식, CDMA(Code Division Multiple Access) 방식, 또는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)이라도 좋다. 또한, 상기 무선 통신은 다이버시티 코딩(diversity coding), 전송 빔 포밍(forming), 공간 분할 다중화(SDM : Spatial Division Multiplexing) 등의 기능을 가지고 송수신 모두 여러 개의 안테나를 동시에 사용함으로써 단위 주파수 당 전송 용량을 늘릴 수 있는 MIMO(다중 입력 다중 출력 : Multi-Input and Multi-Output) 기술을 이용해도 좋다. 또한, 상기 MIMO 기술은 하나의 기지국이 하나의 단말 장치와 동일 시각 ·동일 주파수로 여러 신호를 전송하는 SU-MIMO(Single-User MIMO) 기술이라도 좋고, 하나의 기지국이 여러 다른 통신 단말 장치에 동일 시간 ·동일 주파수로 신호를 전송 또는 서로 다른 기지국이 하나의 단말기에 동일 시간 ·동일 주파수로 신호를 전송하는 MU-MIMO(Multi-User MIMO) 기술이라도 좋다.

다음에, 고위도의 지역에서의 사용에 적합한 고위도 대응 HAPS에 대해 설명한다.

도 9는 계절에 따른 통상 HAPS 및 고위도 대응 HAPS의 선택 이용의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 9의 고위도 지역 55N, 55S에서는, 저위도 지역 55C보다 일조 시간이 짧고 기류가 강하기 때문에 급전력을 높인 고위도 대응 HAPS를 이용하고, 적도 직하 지역을 포함하는 저위도 지역 55L에서는 저위도 대응의 통상 HAPS(예를 들면, 전술의 도 4의 HAPS)를 이용해도 좋다.

또, 고위도 지역 55N, 55S와 저위도 지역 55L과의 경계선 A, B는 계절에 따라 변동하므로, 그 경계선이 변동하는 북회귀선 주변 및 남회귀선 주변의 중간 위도 지역 55MA, 55MB(A-A′ 사이의 지역 및 B-B′ 사이의 지역)에서는 이용하는 HAPS를 계절에 따라 전환해도 좋다. 예를 들면, 여름의 경우는 경계선이 A, B의 위치로 이동하므로, A-A′ 사이의 중간 위도 지역 55MA에서 통상 HAPS를 이용하고, B-B′ 사이의 중간 위도 지역 55MB에서 고위도 대응 HAPS를 이용한다. 한편, 겨울의 경우는 경계선이 A′, B′의 위치로 이동하므로, A-A′ 사이의 중간 위도 지역 55MA에서 고위도 대응 HAPS를 이용하고, B-B′ 사이의 중간 위도 지역 55MB에서 통상 HAPS를 이용한다.

도 10은 고위도 대응 HAPS(태양 전지 동력의 비행기 타입)(11)에 대한 원격 에너지 빔 급전의 모습의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 10 중의 HAPS(10)에 있어서, 도 1과 공통되는 구성 요소에 대해서는 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도 10에 있어서, 고위도 대응 HAPS(11)는, 주 날개부(101)의 긴 방향의 양단부측 각각에 수전용 포드(pod)(108)를 구비하고 있다. 수전용 포드(pod)(108)의 내부에는, 원격 에너지 빔 수전부로서의 마이크로파 수전부(130)와 배터리(106)가 수용되어 있다. 마이크로파 수전부(130)는, 지상 또는 해상의 급전 장치로서의 마이크로파 급전국(75) 또는 공중의 급전 장치로서의 급전용 비행선(25)으로부터 송신된 고출력의 급전용 마이크로파 빔(750) 또는 급전용 마이크로파 빔(250)을 받아 전력으로 변환하여 출력한다. 마이크로파 수전부(130)로부터 출력된 전력은, 배터리(106)에 축전된다.

급전용 비행선(25)은, 예를 들면 기류에 맡겨져 드리프트(drift)하고, 정지중의 HAPS에 순차 급전용 마이크로파 빔을 송신하여 급전한다.

도 11은 고위도 대응 HAPS(11)의 마이크로파 수전부(130)의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 11에 있어서, 마이크로파 수전부(130)는, 레크테나부(rectenna part)(131)와, 레크테나(rectenna) 제어부(132)와, 출력 장치(133)와, 파일럿 신호 송신 안테나부(134)와, 빔 방향 제어부(135)를 구비한다. 레크테나부(131)는, 지상 또는 해상의 마이크로파 급전국(75) 또는 급전용 비행선(25)으로부터 송신된 고출력의 급전용 마이크로파 빔(750) 또는 급전용 마이크로파 빔(250)을 받아 정류한다. 레크테나 제어부(132)는, 레크테나부(131)에 의한 급전용 마이크로파 빔의 수전(受電) 처리 및 정류 처리를 제어한다. 출력 장치(133)는, 레크테나부(131)로부터 출력되는 정류 후의 전력을 배터리(106)로 출력한다. 파일럿 신호 송신 안테나부(134)는, 급전용 마이크로파 빔(750) 또는 급전용 마이크로파 빔(250)의 수전에 앞서, 급전용 마이크로파 빔을 안내하는 레이저 빔 등으로 이루어지는 파일럿 신호의 빔을 마이크로파 급전국(75) 또는 급전용 비행선(25)을 향해 송신한다. 빔 방향 제어부(135)는, 파일럿 신호의 빔의 방향을 제어한다.

또한, 도 10 및 도 11의 원격 에너지 빔 급전에서는, 에너지 빔으로서 마이크로파 빔을 이용한 경우에 대해 설명하였지만, 레이저 빔 등의 다른 에너지 빔을 이용해도 좋다.

도 12는 솔라(solar) 급전 및 원격 에너지 빔 급전에 대응 가능한 고위도 대응 HAPS(11)에 있어서의 급전 제어계(에너지 매니지먼트(management) 시스템)(140)의 하나의 구성예를 나타내는 블록도이다. 고위도 대응 HAPS(11)의 급전 제어계(140)는, 버스 동력계 전원(141)과, 미션계 전원(142)과, 전력 공급 조정 장치(143)와, 제어부(144)를 구비한다. 버스 동력계 전원(141)은, 모터 구동의 프로펠러(103) 등의 버스 동력계에 전력을 공급하고, 미션계 전원(142)은, 무선 중계국(110) 등의 통신 설비(미션계)에 전력을 공급한다. 전력 공급 조정 장치(143)는, 배터리(106)로부터 출력되는 전력에 있어서, 버스 동력계 전원(141) 및 미션계 전원(142) 각각에 공급하는 전력을 조정한다. 제어부(144)는, 배터리(106)로부터의 전력의 출력과, 전력 공급 조정 장치(143)에 의한 전력 공급의 조정과, 버스 동력계 전원(141) 및 미션계 전원(142) 각각으로부터의 전력의 출력을 제어한다.

도 12의 급전 제어계(에너지 매니지먼트(management) 시스템)(140)에 있어서의 제어는, 다음과 같이 상황에 따른 알고리즘에 의해 효율적인 에너지 매니지먼트를 행하도록 실행한다. 예를 들면, 배터리(106)에 축전된 전력을 제어부(144)로부터의 지시에 의해 전력 공급 조정 장치(143)에 의해 버스 동력계에 공급하는 전력과 미션계에 공급하는 전력의 밸런스(balance)를 상황에 따라 조정 변경한다. 또, 고위도 대응 HAPS(11)로 형성하는 3차원 셀 내에 액티브 사용자 수(단말 장치의 수)가 적은 경우는, 미션계로부터 버스 동력계에의 급전량을 융통하여 고위도 대응 HAPS(11)의 고도를 올려 위치 에너지로서 축적하도록 제어해도 좋다. 또, 미션계가 전력을 필요로 하는 경우에는, 버스 동력계에의 공급량을 줄여, 고위도 대응 HAPS(11)의 비행 모드를 위치 에너지를 이용한 글라이더 모드로 이행하도록 제어해도 좋다.

이상, 본 실시 형태에 의하면, 종래의 지상의 기지국(90)과는 달리 지면 또는 해면으로부터의 소정 고도 범위(예를 들면, 50[m] 이상 및 1000[m] 이하의 고도 범위)의 셀 형성 목표 공역(40)에 광역의 3차원 셀(41, 42)을 형성하고, 그 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 복수의 단말 장치와 이동 통신망(80)과의 통신을 중계할 수가 있다. 또한, 상기 3차원 셀(41, 42)을 형성하는 HAPS(10, 20)는, 인공위성보다 낮은 고도(예를 들면, 성층권의 고도)에 위치하므로, 3차원 셀(41, 42)에 재권하는 단말 장치와 이동 통신망(80)과의 사이의 무선 통신에 있어서의 전반 지연이 인공위성을 통한 위성 통신인 경우보다 작다. 이와 같이 3차원 셀(41, 42)을 형성할 수 있음과 아울러 무선 통신의 전반 지연이 낮기 때문에, 무선 통신의 전반 지연이 낮은 제5세대 이동 통신의 3차원화 네트워크를 실현할 수가 있다.

특히, 본 실시 형태에 의하면, 고위도 대응 HAPS(11)를 이용함으로써, 고위도 지역에 있어서도 무선 통신의 전반 지연이 낮은 제5세대 이동 통신의 3차원화 네트워크를 장기간에 걸쳐서 안정적으로 실현할 수가 있다.

또한, 본 명세서에서 설명된 처리 공정 및 무선 중계국, 피더국, 원격 조정 장치, 단말 장치(사용자 장치, 이동국, 통신 단말) 및 기지국에 있어서의 기지국 장치의 구성 요소는, 여러 가지 수단에 의해 실장할 수가 있다. 예를 들면, 이들 공정 및 구성 요소는, 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로 실장되어도 좋다.

하드웨어 실장에 대해서는, 실체(예를 들면, 무선 중계국, 피더국, 기지국 장치, 무선 중계 장치, 단말 장치(사용자 장치, 이동국, 통신 단말), 원격 조정 장치, 하드디스크 드라이브 장치, 또는 광디스크 드라이브 장치)에 있어서 상기 공정 및 구성 요소를 실현하기 위해서 이용되는 처리 유닛 등의 수단은, 하나 또는 복수의, 특정용도전용 IC(ASIC), 디지털 시그널 프로세서(DSP), 디지탈 신호 처리 장치(DSPD), 프로그래머블 논리 디바이스(PLD), 필드(filed) 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서, 전자 디바이스, 본 명세서에서 설명된 기능을 실행하도록 디자인된 다른 전자 유닛, 컴퓨터, 또는 이들의 조합의 안에 실장되어도 좋다.

또, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 실장에 대해서는, 상기 구성 요소를 실현하기 위해서 이용되는 처리 유닛 등의 수단은, 본 명세서에서 설명된 기능을 실행하는 프로그램(예를 들면, 프로시저(procedure), 함수, 모듈, 인스트럭션(instruction) 등의 코드)으로 실장되어도 좋다. 일반적으로, 펌웨어 및/또는 소프트웨어의 코드를 명확하게 구체화하는 임의의 컴퓨터/프로세서로 독취 가능한 매체가, 본 명세서에서 설명된 상기 공정 및 구성 요소를 실현하기 위해서 이용되는 처리 유닛 등의 수단의 실장에 이용되어도 좋다. 예를 들면, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 코드는, 예를 들면 제어 장치에 있어서, 메모리에 기억되고, 컴퓨터나 프로세서에 의해 실행되어도 좋다. 그 메모리는, 컴퓨터나 프로세서의 내부에 실장되어도 좋고, 또는 프로세서의 외부에 실장되어도 좋다. 또, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 코드는, 예를 들면 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 비휘발성 RAM(NVRAM), 프로그래머블 ROM(PROM), 전기적 소거 가능 PROM(EEPROM), 플래쉬(flash) 메모리, 플로피(등록상표) 디스크, 콤팩트 디스크(CD), DVD(Digital Versatile Disc), 자기 또는 광 데이터 기억 장치 등과 같이 컴퓨터나 프로세서로 독취 가능한 매체에 기억되어도 좋다. 그 코드는 하나 또는 복수의 컴퓨터나 프로세서에 의해 실행되어도 좋고, 또 컴퓨터나 프로세서에 본 명세서에서 설명된 기능성이 있는 태양을 실행시켜도 좋다.

또, 본 명세서에서 개시된 실시 형태의 설명은 당업자가 본 개시를 제조 또는 사용하는 것을 가능하게 하기 위해서 제공된 것이다. 본 개시에 대한 다양한 수정은 당업자에게는 용이하고 명백하게 되어, 본 명세서에서 정의되는 일반적 원리는 본 개시의 취지 또는 범위로부터 일탈하는 일 없이 다른 변경에 적용이 가능하다. 그러므로, 본 개시는 본 명세서에서 설명되는 예 및 디자인에 한정되는 것은 아니고, 본 명세서에서 개시된 원리 및 신규 특징에 합치하는 가장 넓은 범위로 인정되어야 하는 것이다.

10 HAPS(태양 전지 동력의 비행기 타입), 통상 HAPS
11 고위도 대응 HAPS(태양 전지 동력의 비행기 타입)
20 HAPS(비행선 타입) 25 급전용 비행선
30 ATG국
40 셀 형성 목표 공역 41, 42, 43 3차원 셀
50 HAPS가 위치하는 공역
60 무선 조정 무인기 65 비행기
70 피더국(feeder station) 75 마이크로파 급전국
80 이동 통신망
85 원격 조정 장치
100, 200, 300 빔(beam)
101 주 날개부 102 태양광 발전 패널
103 프로펠러 104 연결부
105 포드(pod) 106 배터리
107 차륜 108 수전용 포드(pod)
110, 210 무선 중계국
111 3차원(3D) 셀 형성 안테나부 112 송수신부
113 피드(feeder)용 안테나부 114 송수신부
115 리피터부(repeater part) 116 감시 제어부
117 전원부 118 모뎀부(modem part)
119 기지국 처리부 120 에지 컴퓨팅부
130 원격 에너지 빔 수전부
131 레크테나부(rectenna part) 132 레크테나 제어부
133 출력 장치
134 파일럿(pilot) 신호 송신 안테나부
135 빔(beam) 방향 제어부
140 급전 제어계
141 버스 동력계 전원 142 미션계 전원
143 전력 공급 조정 장치 144 제어부
201 비행선 본체 202 프로펠러
203 기기 수용부 204 배터리
205 마이크로파(microwave) 빔(beam) 송전부
250, 750 급전용 마이크로파(microwave) 빔(beam)

Claims

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단말 장치와의 무선 통신을 중계하는 무선 중계국을 구비하는 통신 시스템으로서,
상기 무선 중계국은, 자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 고도가 100[km] 이하인 부양 공역에 위치하도록 제어되는 복수의 부양체의 각각에 설치되고,
상기 부양체가 상기 부양 공역에 위치할 때, 상기 무선 중계국은, 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성하고,
상기 복수의 무선 중계국은 각각, 상기 단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔을 지면 또는 해면을 향해 형성하고,
상기 셀 형성 목표 공역에 있어서 서로 이웃하게 되는 복수의 빔이 부분적으로 겹쳐지고, 상기 복수의 무선 중계국의 빔이 상기 셀 형성 목표 공역의 상단면의 전체를 커버하도록 상기 복수의 부양체 사이의 거리, 각 부양체의 고도, 및 각 부양체의 무선 통신국을 통한 가상 연직선에 대한 상기 빔의 외연의 각도의 적어도 하나를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 복수의 부양체는 제1 부양체와 제2 부양체를 포함하고,
제1 부양체의 무선 중계국의 빔은 원추 형상으로 형성되고, 그 빔의 발산각을 θ1[rad]으로 하고, 제2 부양체의 무선 중계국의 빔은 원추 형상으로 형성되고, 그 빔의 발산각을 θ2[rad]으로 하고, 제1 부양체의 무선 중계국 및 제2 부양체의 무선 중계국 각각의 고도를 Hrs1[m] 및 Hrs2[m]로 하고, 제1 부양체의 무선 중계국 및 제2 부양체의 무선 중계국의 수평 방향의 간격을 Drs[m]로 하고, 상기 셀 형성 목표 공역의 상단의 고도를 Hcu[m]로 했을 때, 다음의 식 (3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항에 있어서,
상기 셀 형성 목표 공역의 하단의 고도를 Hcl[m]로 하고, 제1 부양체 및 제2 부양체 각각의 무선 중계국과 상기 단말 장치와의 사이의 무선 신호의 최대 도달 가능 거리를 Lmax[m]로 했을 때, 다음의 식 (4) 및 식 (5)를 만족하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔을 상기 셀 형성 목표 공역을 향해 형성하는 지상 또는 해상의 무선 중계국을 구비하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
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제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 부양체의 무선 중계국과 직접 또는 인공위성을 통해 무선 통신하는 지상 또는 해상의 피더국을 구비하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 부양체 및 상기 무선 중계국의 적어도 일방을 원격적으로 제어하는 원격 조정 장치를 구비하고,
상기 원격 조정 장치는, 상기 부양체의 부양 이동 또는 상기 무선 중계국에서의 처리를 제어하는 제어 정보를 상기 부양체에 송신하고,
상기 부양체는, 상기 원격 조정 장치로부터 상기 제어 정보를 수신하여 당해 부양체의 부양 이동 또는 당해 부양체의 무선 중계국에서의 처리를 제어하는 제1 제어, 또는 당해 부양체의 현재 위치 정보와 미리 기억한 위치 제어 정보와 주변에 위치하는 다른 부양체의 위치 정보를 취득하고, 이들 정보에 기초하여, 당해 부양체의 부양 이동 또는 당해 부양체의 무선 중계국에서의 처리를 자율 제어하는 제2 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
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단말 장치와의 무선 통신을 중계하는 무선 중계국이 설치된 부양체로서,
자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 고도가 100[km] 이하인 부양 공역에 위치하도록 제어되고,
상기 부양체가 상기 부양 공역에 위치할 때, 상기 무선 중계국은, 상기 단말 장치와 무선 통신하기 위한 빔을 지면 또는 해면을 향해 형성하고, 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성하고,
당해 부양체의 무선 중계국의 빔이, 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서 서로 이웃하게 되는 다른 부양체의 무선 중계국의 빔과 부분적으로 겹쳐지고, 상기 다른 부양체의 무선 중계국의 빔과 함께 당해 부양체의 무선 중계국의 빔이 상기 셀 형성 목표 공역의 상단면의 전체를 커버하도록 당해 부양체와 상기 다른 부양체와의 사이의 거리, 당해 부양체의 고도, 및 당해 부양체의 무선 통신국을 통한 가상 연직선에 대한 상기 빔의 외연의 각도의 적어도 하나를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 빔은 원추 형상으로 형성되고, 그 빔의 발산각을 θ[rad]으로 하고, 상기 부양체의 무선 중계국의 고도를 Hrs[m]로 하고, 당해 부양체의 무선 중계국과 상기 다른 부양체의 무선 중계국과의 사이의 수평 방향의 간격을 Drs[m]로 하고, 상기 셀 형성 목표 공역의 상단의 고도를 Hcu[m]로 했을 때, 다음의 식 (6)을 만족하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항에 있어서,
상기 부양체의 하방에 위치하는 지면의 표고에 기초하여, 당해 지면에 대한 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서의 3차원 셀의 고도가 소정 고도로 유지되도록 위치 제어되는 것을 특징으로 하는 부양체.
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제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 무선 중계국에 공급하는 전력을 발전하는 태양광 발전 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 부양체는 상기 무선 중계국에 공급하는 전력을 발전하는 태양광 발전 패널이 설치된 날개와 상기 날개에 설치된 회전 구동 가능한 프로펠러를 구비한 태양 전지 동력의 비행기, 또는 상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 배터리를 구비한 비행선인 것을 특징으로 하는 부양체.
제4항 또는 제5항에 있어서,
지면에 대한 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서의 3차원 셀의 상대적인 고도가 일정하게 유지되도록, 상기 부양체의 하방의 지형 데이터에 기초하여, 상기 부양체의 고도, 및 상기 부양체의 무선 중계국에 의해 형성되는 빔의 방향 및 확산 각도의 적어도 하나를 조정하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 부양체에 있어서의 상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 전원부의 급전력과 상기 부양체를 위치시켜 이용하는 부양 공역의 위도에 기초하여, 상기 복수의 부양체는 절체하여 이용되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 복수의 부양체는,
상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 전원부를 가지는 저위도 대응의 부양체와,
상기 저위도 대응의 부양체보다 높은 급전력으로 상기 무선 중계국에 전력을 공급 가능한 전원부를 가지는 고위도 대응의 부양체를 포함하고,
중위도 에리어에서는, 일조 시간이 다른 계절에 따라 상기 저위도 대응의 부양체와 상기 고위도 대응의 부양체를 절체하여 이용하고,
상기 저위도 대응의 부양체의 전원부 및 상기 고위도 대응의 부양체의 전원부는 각각, 태양광 발전부와 배터리를 구비하고,
상기 고위도 대응의 부양체의 전원부의 태양광 발전부 및 배터리의 적어도 일방의 전력은, 상기 저위도 대응의 부양체의 전원부보다 높은 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
지상 또는 해상에 설치되어 상기 무선 중계국을 가지는 부양체에 에너지 빔을 송신하여 급전하는 급전 장치를 더 구비하고,
상기 부양체의 전원부는, 외부로부터 상기 에너지 빔을 받아 전력을 발생하는 원격 에너지 빔 수전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항에 있어서,
자율 제어 또는 외부로부터 제어에 의해 상기 부양 공역에 위치하도록 제어되고, 상기 무선 중계국을 구비한 부양체에 에너지 빔을 송신하여 급전하는 급전용 부양체를 더 구비하고,
상기 부양체의 전원부는, 외부로부터 상기 에너지 빔을 받아 전력을 발생하는 원격 에너지 빔 수전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
제4항 또는 제5항의 통신 시스템에 있어서의 상기 부양체의 부양 이동 및 상기 무선 중계국의 적어도 일방을 원격적으로 제어하는 원격 조정 장치로서,
상기 부양체의 부양 이동 또는 상기 무선 중계국에서의 처리를 제어하는 제어 정보를 상기 부양체에 송신하고,
상기 식 (3)을 만족하도록, 또는 상기 식 (4) 및 상기 식 (5)을 만족하도록, 상기 부양체의 하방의 지형 데이터에 기초하여, 상기 부양체의 고도, 및 상기 부양체의 무선 중계국에 의해 형성되는 빔의 방향 및 확산 각도의 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 조정 장치.
제33항에 있어서,
상기 무선 중계국이 설치된 부양체를 그 부양체의 하방에 위치하는 지면의 표고에 기초하여, 당해 지면에 대한 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서의 3차원 셀의 고도가 소정 고도로 유지되도록 위치 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 조정 장치.
제33항에 있어서,
상기 복수의 부양체는,
상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 전원부를 가지는 저위도 대응의 부양체와,
상기 저위도 대응의 부양체보다 높은 급전력으로 상기 무선 중계국에 전력을 공급 가능한 전원부를 가지는 고위도 대응의 부양체를 포함하고,
중위도 에리어에서는, 일조 시간이 다른 계절에 따라 상기 저위도 대응의 부양체와 상기 고위도 대응의 부양체를 절체하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 조정 장치.
제27항에 있어서,
상기 태양 전지 동력의 비행기는, 배터리를 구비하고, 상기 태양광 발전 패널의 발전에 의해 상기 배터리의 전력이 남아 있는 낮에 높은 위치로 상승하고, 상기 태양광 발전 패널로 발전할 수 없는 야간에 상기 배터리로부터 상기 프로펠러의 모터에의 급전을 정지하고 글라이더 비행하도록 비행 제어되는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 셀 형성 목표 공역의 하단의 고도를 Hcl[m]로 하고, 상기 부양체의 무선 중계국과 상기 단말 장치와의 사이의 무선 신호의 최대 도달 가능 거리를 Lmax[m]로 했을 때, 다음의 식 (7)을 만족하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
당해 부양체의 전원부는,
배터리와,
상기 부양체를 부양 이동시키기 위한 구동장치에 전력을 공급하는 동력계 전원과,
상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 통신계 전원과,
상기 배터리로부터 상기 동력계 전원 및 상기 통신계 전원 각각에 공급하여 전력을 조정하는 전력 공급 조정부를 가지고,
상기 통신계 전원이 전력을 필요로 하는 경우에는, 상기 동력계 전원에 공급하는 전력의 공급량을 줄여, 상기 부양체의 비행 모드를 위치 에너지를 이용한 글라이더 모드로 이행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제38항에 있어서,
상기 전력 공급 조정부는,
상기 무선 중계국에서 무선 신호를 중계하는 단말 장치의 수에 기초하여, 상기 배터리로부터 상기 동력계 전원 및 상기 통신계 전원 각각에 공급하는 전력을 조정하고,
당해 부양체의 무선 중계국에서 무선 신호를 중계하는 단말 장치의 수가 감소한 경우는, 상기 통신계 전원으로부터 상기 동력계 전원에의 전력의 공급량을 융통하여 당해 부양체의 고도를 올려 위치 에너지로서 축적하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
지면에 대한 상기 셀 형성 목표 공역에 있어서의 3차원 셀의 상대적인 고도가 일정하게 유지되도록, 당해 부양체의 하방의 지형 데이터에 기초하여, 당해 부양체의 고도, 및 당해 부양체의 무선 중계국에 의해 형성되는 빔의 방향 및 확산 각도의 적어도 하나를 조정하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 무선 중계국은, 에지 컴퓨팅부를 가지고,
상기 에지 컴퓨팅부는, 상기 3차원 셀에 재권하는 단말 장치로부터 수신한 데이터 신호에 기초하여, 그 데이터 신호의 송신지를 판정하고, 그 판정의 결과에 기초하여 통신의 중계처를 절체하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제41항에 있어서,
상기 에지 컴퓨팅부는,
상기 데이터 신호의 송신지가 자신의 3차원 셀에 재권하는 단말 장치인 경우는, 그 데이터 신호를 상기 에지 컴퓨팅부에서 되풀이해 자신의 3차원 셀에 재권하는 송신지의 단말 장치에 송신하고,
상기 데이터 신호의 송신지가 자신의 3차원 셀 이외의 다른 셀에 재권하는 단말 장치인 경우는, 그 데이터 신호를 피더국에 송신하고, 이동 통신망을 통해 송신지의 다른 셀에 재권하는 송신지의 단말 장치에 송신하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
상기 무선 중계국은, 에지 컴퓨팅부를 가지고,
상기 에지 컴퓨팅부는, 상기 3차원 셀에 재권하는 복수의 단말 장치로부터 수신한 정보를 분석하고, 그 분석의 결과를 상기 단말 장치 혹은 서버에 송신하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항에 있어서,
당해 부양체의 전원부는, 마이크로파 빔 또는 레이저 빔을 포함한 외부로부터 에너지 빔을 받아 전력을 발생하는 원격 에너지 빔 수전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 부양체.
제21항 또는 제22항의 부양체를 사용하는 방법으로서,
고도가 100[km] 이하인 부양 공역에 상기 부양체를 위치시키고, 상기 무선 중계국에 의해 지면 또는 해면과의 사이의 소정의 셀 형성 목표 공역에 3차원 셀을 형성시키는 것과,
상기 무선 중계국에 전력을 공급하는 전원부를 가지는 저위도 대응의 부양체를 저위도 에리어의 상공에 있어서의 부양 공역에 위치시키는 것과,
상기 저위도 대응의 부양체보다 높은 급전력으로 상기 무선 중계국에 전력을 공급 가능한 전원부를 가지는 고위도 대응의 부양체를 고위도 에리어의 상공에 있어서의 부양 공역에 위치시키는 것과,
상기 저위도 대응의 부양체와 상기 고위도 대응의 부양체를 중위도 에리어에서는 일조 시간이 다른 계절에 따라 절체하여 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.