WO2018207612A1 - 第５世代通信の３次元化ネットワークを構築するｈａｐｓ間通信及び大容量多セル係留飛行船型ｈａｐｓ - Google Patents

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communication
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haps
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潤一 宮川
木村　潔
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Definitions

  • the present invention relates to inter-HAPS communication and a large-capacity multi-cell moored airship type HAPS for constructing a three-dimensional network for fifth generation communication.
  • LTE-AdvancedPro which is an extension of 3GPP LTE (Long Term Evolution) -Advanced
  • Non-Patent Document 1 which is a communication standard for mobile communication systems
  • Non-Patent Document 2 a communication standard for mobile communication systems
  • LTE-AdvancedPro specifications for providing communication to devices for recent IoT (Internet of Things) have been formulated.
  • IoT Internet of Things
  • the fifth generation mobile that supports simultaneous connection and low delay to many terminal devices (also referred to as “UE (user equipment)”, “mobile station”, “communication terminal”) such as devices for IoT. Communication has been studied (for example, see Non-Patent Document 3).
  • the propagation delay is low, it can be simultaneously connected to a large number of terminals in a wide range, high-speed communication is possible, and the system capacity per unit area There is a problem of providing a communication system excellent in robustness capable of stably realizing a large three-dimensional network over a wide area.
  • a communication system is a communication system including a plurality of radio relay stations that relay radio communication between a ground base station and a terminal device, and the plurality of radio relay stations are connected to the ground or the sea surface. It is provided in the first levitation body that is controlled so as to be located in a floating airspace of altitude of 100 [km] or less by autonomous control or external control so as to form a three-dimensional cell in a predetermined cell formation target airspace between , Including a plurality of first wireless relay stations capable of communicating with each other.
  • the first levitation body includes a wing provided with a photovoltaic power generation panel that generates electric power to be supplied to the first wireless relay station, and a propeller capable of being driven to rotate provided in the wing. It may be a solar plane.
  • the plurality of radio relay stations are located in a floating airspace having an altitude of 100 km or less so as to form a three-dimensional cell in a predetermined cell formation target airspace between the ground and the sea surface.
  • a second radio relay station may be included that is provided on a second levitating body moored on the ground or the sea and relays communication between the plurality of first radio relay stations and the ground base station.
  • the second levitation body may be an airship including a battery that supplies power to the second radio relay station.
  • communication between the second radio relay station and the ground base station is wired communication, and communication between the second radio relay station and the first radio relay station is performed using microwaves.
  • the communication used may be used.
  • the second levitation body is moored so as to be located above a large city area, and the first levitation body is located in a suburban area or a rural area where the density of terminal devices is lower than that in the large city area. It may be controlled to be located above the sea or the sea.
  • the plurality of wireless relay stations may form a wireless communication network having a two-dimensional or three-dimensional mesh topology.
  • another radio relay station may back up and perform radio relay.
  • the communication between the plurality of first wireless relay stations may be wireless communication using laser light.
  • each of the plurality of first radio relay stations may control the direction and intensity of the laser light in accordance with a change in relative position with other first radio relay stations in the vicinity.
  • each of the plurality of first radio relay stations includes another first radio relay station that performs communication using the laser light in accordance with a change in a relative position with other neighboring first radio relay stations. You may control to switch.
  • each of the plurality of first wireless relay stations may be controlled to reduce the intensity of the laser beam during a night time period.
  • the communication system may further include a remote control device that controls a position of a first radio relay station provided on the first levitation body, a direction and a spread angle of a beam formed by the first radio relay station.
  • a remote control device that controls a position of a first radio relay station provided on the first levitation body, a direction and a spread angle of a beam formed by the first radio relay station.
  • the altitude of the cell formation target airspace may be 10 [km] or less, and the altitude of the cell formation target airspace may be 50 [m] or more and 1 [km] or less.
  • the first levitation body provided with the first radio relay station may be located in a stratosphere having an altitude of 11 km or more and 50 km or less.
  • the propagation delay of wireless communication with a terminal device including a device for IoT is low, can be simultaneously connected to a wide range of terminal devices, and high-speed communication is possible. It is possible to provide a communication system excellent in robustness capable of stably realizing a three-dimensional network having a large system capacity per area over a wide area.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an example of HAPS used in the communication system according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a side view illustrating another example of the HAPS used in the communication system according to the embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of a wireless network formed over the plurality of HAPSs according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a HAPS wireless relay station according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating another configuration example of the HAPS wireless relay station according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an example of HAPS used in the communication system according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating still another configuration example of the HAPS wireless relay station according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to another embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to still another embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example of a mooring HAPS wireless relay station in the communication system of FIG. 9.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating an example of a wireless communication network in which a plurality of solar plane type HAPS and a mooring HAPS corresponding to a large-capacity multi-cell according to the embodiment are arranged over Japan.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to still another embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the communication system according to the present embodiment is a fifth generation that supports simultaneous connection to a large number of terminal devices (also referred to as “mobile station”, “mobile device”, or “user equipment (UE)”), low delay, and the like. Suitable for realizing a three-dimensional network for mobile communications.
  • the mobile communication standards applicable to the communication system, radio relay station, base station, repeater, and terminal device disclosed in this specification are the fifth generation mobile communication standards and the fifth generation and later. Includes standards for next generation mobile communications.
  • the communication system includes high altitude platform stations (HAPS) (also referred to as “high altitude pseudo satellites”) 10 and 20 as a plurality of radio relay apparatuses, and a cell formation target airspace 40 of a predetermined altitude. Then, three-dimensional cells (three-dimensional areas) 41 and 42 as shown by hatching areas in the figure are formed.
  • the HAPS 10 and 20 are controlled to float in a high altitude floating airspace (hereinafter also simply referred to as “airspace”) 50 from the ground or the sea surface by autonomous control or external control.
  • a radio relay station is mounted on a floating body (eg, solar plane, airship).
  • the airspace 50 where the HAPS 10 and 20 are located is, for example, a stratospheric airspace with an altitude of 11 km or more and 50 km or less.
  • the airspace 50 where the HAPS 10 and 20 are located may be an airspace in which the altitude where the weather conditions are relatively stable is in the range of 15 [km] or more and 25 [km] or less, and particularly the altitude is approximately 20 [km].
  • the airspace may be Hrsl and Hrsu in the figure indicate relative altitudes of the lower end and the upper end of the airspace 50 where the HAPSs 10 and 20 are located with respect to the ground (GL), respectively.
  • the cell formation target airspace 40 is a target airspace that forms a three-dimensional cell with one or a plurality of HAPS in the communication system of the present embodiment.
  • the cell formation target airspace 40 is a predetermined altitude range (for example, 50 [ m] to an altitude range of 1000 [m] or less.
  • Hcl and Hcu in the figure respectively indicate the relative altitudes of the lower end and the upper end of the cell formation target airspace 40 with respect to the ground (GL).
  • the cell formation target airspace 40 in which the three-dimensional cell of the present embodiment is formed may be above the sea, river, or lake.
  • the wireless relay stations of the HAPS 10 and 20 respectively form beams 100 and 200 for wireless communication with a terminal device that is a mobile station toward the ground.
  • the terminal device may be a communication terminal module incorporated in the drone 60 which is an aircraft such as a small-sized helicopter that can be remotely controlled, or may be a user terminal device used by the user in the airplane 65.
  • the regions through which the beams 100 and 200 pass in the cell formation target airspace 40 are three-dimensional cells 41 and 42.
  • the plurality of beams 100 and 200 adjacent to each other in the cell formation target airspace 40 may partially overlap.
  • the wireless relay stations of the HAPS 10 and 20 are connected to the core network of the mobile communication network 80 via a feeder station (gateway) 70 that is a relay station installed on the ground or the sea.
  • a feeder station (gateway) 70 that is a relay station installed on the ground or the sea.
  • Communication between the HAPS 10, 20 and the feeder station 70 may be performed by wireless communication using radio waves such as microwaves, or may be performed by optical communication using laser light or the like.
  • Each of the HAPS 10 and 20 may autonomously control its own floating movement (flight) and processing at the radio relay station by executing a control program by a control unit configured by a computer or the like incorporated therein.
  • each of the HAPS 10 and 20 acquires its own current position information (for example, GPS position information), pre-stored position control information (for example, flight schedule information), position information of other HAPS located in the vicinity, etc. Based on this information, the levitating movement (flight) and the processing at the radio relay station may be autonomously controlled.
  • the floating movement (flight) of each of the HAPS 10 and 20 and the processing at the radio relay station may be controlled by a remote control device 85 of a communication operator provided in a communication center of the mobile communication network 80 or the like.
  • the HAPS 10, 20 is incorporated with a control communication terminal device (for example, a mobile communication module) so as to receive control information from the remote control device 85, and terminal identification information (for example, an IP address, a telephone number, etc.) may be assigned.
  • terminal identification information For example, an IP address, a telephone number, etc.
  • the MAC address of the communication interface may be used for identifying the control communication terminal device.
  • Each of the HAPSs 10 and 20 receives information on the levitation movement (flight) of itself or the surrounding HAPS, processing at the wireless relay station, observation data acquired by various sensors, etc. You may make it transmit to a transmission destination.
  • a region where the beams 100 and 200 of the HAPS 10 and 20 do not pass may occur.
  • a radial beam 300 is formed upward from the ground side or the sea side to form a three-dimensional cell 43 to form an ATG (Air To Ground) connection.
  • a base station (hereinafter referred to as “ATG station”) 30 may be provided.
  • the radio relay station of the HAPS 10 and 20 can be three-dimensionally arranged in the cell formation target airspace 40.
  • the beams 100 and 200 covering the entire upper end surface of the cell formation target airspace 40 may be formed so that the cells are formed throughout.
  • the three-dimensional cell formed by the HAPS 10 and 20 may be formed so as to reach the ground or the sea level so as to be able to communicate with a terminal device located on the ground or the sea.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating an example of the HAPS 10 used in the communication system according to the embodiment.
  • the HAPS 10 in FIG. 2 is a solar plane type HAPS.
  • a solar power generation panel (hereinafter referred to as a “solar panel”) 102 as a solar power generation unit having a solar power generation function on the upper surface is provided.
  • a plurality of motor-driven propellers 103 as a propulsion device for a bus power system are provided at one end edge in the short direction.
  • a pod 105 serving as a plurality of device accommodating portions in which mission devices are accommodated is connected to two places in the longitudinal direction of the lower surface of the main wing portion 101 via a plate-like connecting portion 104.
  • Each pod 105 accommodates a radio relay station 110 as a mission device and a battery 106.
  • wheels 107 used at the time of taking off and landing are provided on the lower surface side of each pod 105.
  • the electric power generated by the solar panel 102 is stored in the battery 106, the electric power supplied from the battery 106 drives the motor of the propeller 103 to rotate, and the wireless relay station 110 performs wireless relay processing.
  • the solar plane type HAPS 10 can be levitated by lift by performing, for example, turning flight or 8-shaped flight, and can be levitated so as to stay in a predetermined range in a horizontal direction at a predetermined altitude.
  • the solar plane type HAPS 10 can fly like a glider when the propeller 103 is not driven to rotate. For example, when the power of the battery 106 is surplus due to the power generation of the solar panel 102 at daytime or the like, the battery 106 rises to a high position, and when the solar panel 102 cannot generate power at night or the like, the power supply from the battery 106 to the motor is stopped and the glider is stopped. Can fly like.
  • FIG. 3 is a perspective view showing another example of the HAPS 20 used in the communication system of the embodiment.
  • the HAPS 20 in FIG. 3 is an unmanned airship type HAPS and has a large payload, so that a large-capacity battery can be mounted.
  • the HAPS 20 includes an airship body 201 filled with a gas such as helium gas for buoyancy, a motor-driven propeller 202 as a propulsion device for a bus power system, and a device storage unit 203 for storing mission devices.
  • a radio relay station 210 and a battery 204 are housed inside the device housing unit 203. With the electric power supplied from the battery 204, the motor of the propeller 202 is driven to rotate, and the wireless relay processing by the wireless relay station 210 is executed.
  • a solar panel having a solar power generation function may be provided on the top surface of the airship body 201 so that the electric power generated by the solar panel is stored in the battery 204.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of a wireless network formed over the plurality of HAPSs 10 and 20 according to the embodiment.
  • the plurality of HAPSs 10 and 20 are configured to be able to communicate with each other (communication between HAPS) in the sky, and form a wireless communication network excellent in robustness capable of stably realizing a three-dimensional network over a wide area.
  • This wireless communication network can also function as an ad hoc network by dynamic routing according to various environments and various information.
  • the wireless communication network can be formed to have various two-dimensional or three-dimensional topologies, and may be, for example, a mesh-type wireless communication network as shown in FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • the wireless relay stations 110 and 210 in FIG. 5 are examples of repeater type wireless relay stations.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 includes a 3D cell (three-dimensional cell) forming antenna unit 111, a transmission / reception unit 112, a feed antenna unit 113, a transmission / reception unit 114, a repeater unit 115, a monitoring control unit 116, and a power supply unit 117.
  • each of the radio relay stations 110 and 210 includes an inter-HAPS communication unit 125 and a beam control unit 126.
  • the 3D cell formation antenna unit 111 includes antennas that form the radial beams 100 and 200 toward the cell formation target airspace 40, and forms three-dimensional cells 41 and 42 that can communicate with the terminal device.
  • the transmission / reception unit 112 includes a duplexer (DUP: DUPlexer), an amplifier, and the like, and transmits a radio signal to a terminal device located in the three-dimensional cell 41 or 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 or a terminal Receive radio signals from the device.
  • DUP DUPlexer
  • the feed antenna unit 113 includes a directional antenna for wireless communication with the ground or sea feeder station 70.
  • the transmission / reception unit 114 includes a duplexer (DUP: DUPlexer), an amplifier, and the like, and transmits a radio signal to the feeder station 70 and receives a radio signal from the feeder station 70 via the 3D cell forming antenna unit 111. To do.
  • DUP DUPlexer
  • the repeater unit 115 relays the signal of the transmission / reception unit 112 transmitted / received to / from the terminal device and the signal of the transmission / reception unit 114 transmitted / received to / from the feeder station 70.
  • the repeater unit 115 may have a frequency conversion function.
  • the monitoring control unit 116 is configured by, for example, a CPU and a memory, and monitors the operation processing status of each unit in the HAPS 10 and 20 and controls each unit by executing a program incorporated in advance.
  • the power supply unit 117 supplies the power output from the batteries 106 and 204 to each unit in the HAPS 10 and 20.
  • the power supply unit 117 may have a function of storing in the batteries 106 and 204 power generated by a solar power generation panel or the like or power supplied from the outside.
  • the inter-HAPS communication unit 125 communicates with other peripheral HAPS 10 and 20 via a wireless communication medium such as laser light or microwave.
  • This communication enables dynamic routing that dynamically relays wireless communication between the terminal device such as the drone 60 and the mobile communication network 80, and other HAPS backs up when one of the HAPSs fails.
  • the robustness of the mobile communication system can be improved by wireless relaying.
  • a wireless communication medium for inter-HAPS communication various wireless communication media such as laser light and microwave can be used, but a wireless communication medium may be selected according to the altitude at which the HAPS is located. For example, when the HAPS 10 and 20 are located at a relatively high altitude where the influence of clouds is small, laser light may be used for communication between the HAPS. In addition, when the HAPS 10 and 20 are located at a low altitude where the influence of the cloud is large, a microwave that is not easily affected by the cloud may be used for communication between the HAPS.
  • the beam control unit 126 controls the direction and intensity of a beam of laser light or microwaves used for inter-HAPS communication, or responds to changes in relative position with other peripheral HAPS (wireless relay station). Then, control is performed so as to switch other HAPS (wireless relay station) that performs communication using beams such as laser light and microwaves. This control may be performed based on, for example, the position and posture of the HAPS itself, the positions of surrounding HAPS, and the like. Information on the position and orientation of the HAPS itself is acquired based on the output of a GPS receiver, a gyro sensor, an acceleration sensor, etc. incorporated in the HAPS, and information on the position of the surrounding HAPS is obtained from a remote communication network 80. You may acquire from the control apparatus 85 or another HAPS management server.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating another configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • Radio relay stations 110 and 210 in FIG. 6 are examples of base station type radio relay stations. In FIG. 6, the same components as those in FIG.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 of FIG. 6 further includes a modem unit 118 and a base station processing unit 119 instead of the repeater unit 115.
  • each of the radio relay stations 110 and 210 includes an inter-HAPS communication unit 125 and a beam control unit 126.
  • the modem unit 118 performs, for example, a demodulation process and a decoding process on the reception signal received from the feeder station 70 via the feed antenna unit 113 and the transmission / reception unit 114, and outputs the data signal to the base station processing unit 119 side. Is generated. Further, the modem unit 118 performs encoding processing and modulation processing on the data signal received from the base station processing unit 119 side, and transmits to the feeder station 70 via the feed antenna unit 113 and the transmission / reception unit 114. Generate a signal.
  • the base station processing unit 119 has a function as e-NodeB that performs baseband processing based on, for example, a method compliant with the LTE / LTE-Advanced standard.
  • the base station processing unit 119 may perform processing by a method based on a standard for future mobile communication such as the fifth generation or the next generation after the fifth generation.
  • the base station processing unit 119 performs demodulation processing and decoding processing on the received signals received from the terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 and the transmission / reception unit 112. A data signal to be output to the modem unit 118 side is generated. In addition, the base station processing unit 119 performs encoding processing and modulation processing on the data signal received from the modem unit 118 side, and the 3D cells 41 and 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 and the transmission / reception unit 112. A transmission signal to be transmitted to the terminal device is generated.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating still another configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • the radio relay stations 110 and 210 in FIG. 7 are examples of high-function base station type radio relay stations having an edge computing function.
  • the same components as those in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 of FIG. 7 further includes an edge computing unit 120 in addition to the components of FIG.
  • the edge computing unit 120 is configured by a small computer, for example, and can execute various types of information processing related to wireless relaying in the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 by executing a program incorporated in advance. it can.
  • the edge computing unit 120 determines the transmission destination of the data signal based on the data signal received from the terminal device located in the three-dimensional cell 41 or 42, and relays the communication based on the determination result. Executes the process of switching. More specifically, when the transmission destination of the data signal output from the base station processing unit 119 is a terminal device located in its own three-dimensional cell 41 or 42, the data signal is not passed to the modem unit 118. Then, it returns to the base station processing unit 119 and transmits it to the transmission destination terminal device located in its own three-dimensional cell 41, 42.
  • the transmission destination of the data signal output from the base station processing unit 119 is a terminal device residing in a cell other than its own three-dimensional cells 41 and 42
  • the data signal is passed to the modem unit 118.
  • the data is transmitted to the feeder station 70 and transmitted to the terminal device of the transmission destination located in another cell of the transmission destination via the mobile communication network 80.
  • the edge computing unit 120 may execute processing for analyzing information received from a large number of terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42. This analysis result may be transmitted to a large number of terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42, or may be transmitted to a server device of the mobile communication network 80 or the like.
  • the uplink and downlink duplex schemes for wireless communication with the terminal devices via the radio relay stations 110 and 210 are not limited to specific schemes. For example, even in a time division duplex (TDD) scheme Alternatively, a frequency division duplex (FDD) method may be used.
  • the access method of wireless communication with the terminal device via the wireless relay stations 110 and 210 is not limited to a specific method, for example, FDMA (Frequency Division Multiple Access) method, TDMA (Time Division Multiple Access) method, It may be a CDMA (Code Division Multiple Access) system or OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
  • the wireless communication has functions such as diversity coding, transmission beamforming, and spatial division multiplexing (SDM), and by using multiple antennas simultaneously for both transmission and reception, MIMO (multi-input and multi-output) technology capable of increasing the transmission capacity of the network may be used.
  • the MIMO technology may be a SU-MIMO (Single-User MIMO) technology in which one base station transmits a plurality of signals at the same time and the same frequency as one terminal device. Even in the MU-MIMO (Multi-User MIMO) technology in which signals are transmitted to different communication terminal devices at the same time and the same frequency, or a plurality of different base stations transmit signals to one terminal device at the same time and the same frequency. Good.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to another embodiment.
  • parts that are the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • communication between the HAPS 10, 20 and the feeder station 70 is performed via an artificial satellite 72.
  • communication between the artificial satellite 72 and the feeder station 70 may be performed by wireless communication using radio waves such as microwaves, or may be performed by optical communication using laser light or the like.
  • Communication between the HAPS 10 and 20 and the artificial satellite 72 may be performed by wireless communication using radio waves such as microwaves, or may be performed by optical communication using laser light or the like.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to another embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram of a moored airship type HAPS 21 in the communication system of FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a radio relay station 210.
  • the same reference numerals are given to portions common to those in FIG. 1 described above, and description thereof is omitted.
  • the same components as those in FIG. 10 may further include a modem unit 118 as in FIG. 6 described above, and may include a base station processing unit 119 instead of the repeater unit 115.
  • a computing unit 120 may be further provided.
  • the communication system of the present embodiment has propulsive force moored by a mooring line 25 extending from the ground to an area above a predetermined altitude (for example, an altitude of about 5 km from the ground) in a large city.
  • a mooring-type airship type HAPS (hereinafter referred to as “mooring HAPS”) 21 corresponding to a large-capacity multi-cell, which is a mooring-type airship that is not equipped.
  • the mooring HAPS 21 has a large payload (for example, 1 ton or more), can be equipped with a large-capacity battery, and can be supplied with power from the ground with a power cable attached to the mooring cable 25, so that the service life can be extended. Can do.
  • the communication cable unit 127 of FIG. 10 can communicate with a fixed base station or the like on the ground via a communication cable made of a large-capacity optical fiber or the like attached to the mooring cable 25, so that a large number of terminal devices existing in urban areas. It is possible to relay communication between the mobile phone and the ground, or relay communication between a plurality of HAPSs constituting the above-described wireless communication network.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show the case where the floating body of the mooring HAPS 21 is an airship, the floating body of the mooring HAPS 21 may be a balloon.
  • a plurality of solar plane type HAPSs 10 are controlled to fly over suburbs and rural areas (or seas) where the density of terminal devices is lower than that of large cities. ing. At least one of the plurality of HAPSs 10 can perform wireless communication with the mooring HAPS 21 using microwaves or the like that are not easily affected by the clouds 905. Moreover, you may perform the communication between HAPS of several HAPS10 using a laser beam as mentioned above, for example. The plurality of HAPSs 10 move over the necessary place according to the presence, density, or time zone of the terminal device such as the drone 60 or the ground user terminal in the suburbs and the rural areas and relay the wireless communication of the terminal device. An ad hoc network can be constructed.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating an example of a wireless communication network in which a plurality of solar plane type HAPSs 10 and a moored airship type mooring HAPS 21 according to the embodiment are arranged above Japan.
  • FIG. 11 illustrates one example of the arrangement of the solar plane type HAPS 10 and the mooring HAPS 21, and the number and positions of the solar plane type HAPS 10 and the mooring HAPS 21 are not limited to those illustrated.
  • FIG. 11 shows an example in which a wireless communication network composed of a plurality of HAPS (HAPS 10 and mooring HAPS 21) is constructed over Japan. It may be constructed over the area spanning Japan and overseas, or it may be built over the sea.
  • a moored airship type capable of handling large-capacity multi-cells in large cities (Sapporo, Sendai, Tokyo, Osaka, Fukuoka) in the Hokkaido area, Tohoku area, Kanto Koshinetsu area, Chubu Hokuriku Kinki area, and Kyushu area.
  • the mooring HAPS 21 is moored and arranged.
  • a plurality of solar plane type HAPSs 10 are flying over the suburbs and the rural areas located between the mooring HAPSs 21 in these large urban areas so as to complement the mooring HAPSs 21.
  • the mooring HAPS 21 is also moored and arranged over Okinawa on a remote island.
  • a wireless communication network having a topology such as a three-dimensional mesh type is constructed over Japan.
  • wireless communication with terminal devices including IoT devices is low in 5th generation mobile communication, etc., with low propagation delay, allowing simultaneous connection with a wide range of terminals and high-speed communication
  • a three-dimensional network having a large system capacity per unit area can be stably realized over a wide area.
  • the robustness of the three-dimensional network can be enhanced.
  • FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to still another embodiment.
  • the same reference numerals are given to the portions common to those in FIG.
  • communication between the HAPS 10 and the mooring HAPS 21 and the core network of the mobile communication network 80 is performed via the feeder station 70 and the artificial satellite 72.
  • communication between the artificial satellite 72 and the feeder station 70 may be performed by wireless communication using radio waves such as microwaves, or may be performed by optical communication using laser light or the like.
  • communication between the HAPS 10 and 21 and the artificial satellite 72 may be performed by wireless communication using radio waves such as microwaves, or may be performed by optical communication using laser light or the like.
  • processing steps described in this specification and the components of the base station device in the radio relay station, feeder station, remote control device, terminal device (user device, mobile station, communication terminal) and base station of the radio relay device are as follows: Can be implemented by various means. For example, these steps and components may be implemented in hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • entity eg, wireless relay station, feeder station, base station device, wireless relay station device, terminal device (user device, mobile station, communication terminal), remote control device, hard disk drive device, or optical disk
  • processing units used to implement the above steps and components in the drive device
  • ASIC application specific IC
  • DSP digital signal processor
  • DSPD digital signal processor
  • PLD Programmable logic device
  • FPGA field programmable gate array
  • processor controller, microcontroller, microprocessor, electronic device, designed to perform the functions described herein
  • Other electronic units Yuta, or it may be implemented in a combination thereof.
  • firmware and / or software implementation means such as processing units used to implement the above components may be programs (eg, procedures, functions, modules, instructions) that perform the functions described herein. , Etc.).
  • any computer / processor readable medium that specifically embodies firmware and / or software code is means such as a processing unit used to implement the steps and components described herein. May be used to implement
  • the firmware and / or software code may be stored in a memory, for example, in a control device, and executed by a computer or processor.
  • the memory may be implemented inside the computer or processor, or may be implemented outside the processor.
  • the firmware and / or software code may be, for example, random access memory (RAM), read only memory (ROM), nonvolatile random access memory (NVRAM), programmable read only memory (PROM), electrically erasable PROM (EEPROM) ), FLASH memory, floppy disk, compact disk (CD), digital versatile disk (DVD), magnetic or optical data storage, etc. Good.
  • the code may be executed by one or more computers or processors, and may cause the computers or processors to perform the functional aspects described herein.

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Abstract

第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを広域にわたって安定に構築できるロバスト性に優れた通信システムを提供する。通信システムは、地上基地局と端末装置との無線通信を中継する複数の無線中継局を備える。複数の無線中継局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ相互に通信可能な複数の第１無線中継局と、高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように地上又は海上に係留された浮揚体に設けられ複数の第１無線中継局と地上基地局との通信を中継する第２無線中継局とを含む。

Description

第５世代通信の３次元化ネットワークを構築するＨＡＰＳ間通信及び大容量多セル係留飛行船型ＨＡＰＳ
　本発明は、第５世代通信の３次元化ネットワークを構築するＨＡＰＳ間通信及び大容量多セル係留飛行船型ＨＡＰＳに関するものである。
　従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）－Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ－ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ－ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
３ＧＰＰ　ＴＳ　３６．３００　Ｖ１０．１２．０（２０１４－１２）． ３ＧＰＰ　ＴＳ　３６．３００　Ｖ１３．５．０（２０１６－０９）． Ｇ．　Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ　ＲＡＮ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　"５Ｇ"」，３ＧＰＰ，２０１６．
　上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信にて、伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた通信システムを提供したいという課題がある。
　本発明の一態様に係る通信システムは、地上基地局と端末装置との無線通信を中継する複数の無線中継局を備える通信システムであって、前記複数の無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される第１浮揚体に設けられ、相互に通信可能な複数の第１無線中継局を含む。
　前記通信システムにおいて、前記第１浮揚体は、前記第１無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーンであってもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記複数の無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように地上又は海上に係留された第２浮揚体に設けられ、前記複数の第１無線中継局と前記地上基地局との通信を中継する第２無線中継局を含んでもよい。前記第２浮揚体は、前記第２無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であってもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記第２無線中継局と前記地上基地局との通信は、有線による通信であり、前記第２無線中継局と前記第１無線中継局との通信は、マイクロ波を用いた通信であってもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記第２浮揚体は、大都市部の上空に位置するように係留され、前記第１浮揚体は、前記大都市部よりも端末装置の密度が低い郊外部、地方部又は海の上空に位置するように制御されてもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記複数の無線中継局は、２次元又は３次元のメッシュ型トポロジーからなる無線通信ネットワークを形成してもよい。また、前記通信システムにおいて、前記複数の無線中継局のいずれかが故障したとき、他の無線中継局がバックアップして無線中継してもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記複数の第１無線中継局間の通信はレーザ光を用いた無線通信であってもよい。ここで、前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、周辺の他の第１無線中継局との間の相対的な位置の変化に応じて前記レーザ光の方向及び強度を制御してもよい。また、前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、周辺の他の第１無線中継局との間の相対的な位置の変化に応じて前記レーザ光による通信を行う他の第１無線中継局を切り替えるように制御してもよい。また、前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、夜間の時間帯に前記レーザ光の強度を低下させるように制御してもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記第１浮揚体に設けられた第１無線中継局の位置、その第１無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度を制御する遠隔制御装置を備えてもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であってもよく、更に、前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であってもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記第１無線中継局を設けた第１浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置してもよい。
　本発明によれば、上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信の伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末装置と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた通信システムを提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図２は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図である。 図３は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図である。 図４は、実施形態の複数のＨＡＰＳで上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図である。 図５は、実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図である。 図６は、実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図である。 図７は、実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図である。 図８は、他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図９は、更に他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図１０は、図９の通信システムにおける係留ＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図である。 図１１は、実施形態の複数のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ及び大容量多セル対応の係留ＨＡＰＳを日本国の上空に配置した無線通信ネットワークの一例の様子を示す説明図である。 図１２は、更に他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。
　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の全体構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（「移動局」、「移動機」又は「ユーザ装置（ＵＥ）」ともいう。）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。なお、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。
　図１に示すように、通信システムは、複数の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」ともいう。）１０，２０を備え、所定高度のセル形成目標空域４０に、図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０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］以下の高高度の浮揚空域（以下、単に「空域」ともいう。）５０に浮遊して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に無線中継局が搭載されたものである。
　ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、気象条件が比較的安定している高度が１５［ｋｍ］以上及び２５［ｋｍ］以下の範囲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。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
　セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける一又は複数の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４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局９０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。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
　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４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。
　ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、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６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ端末装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。
　ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局（ゲートウェイ）７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。ＨＡＰＳ１０，２０とフィーダ局７０との間の通信は、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。
　ＨＡＰＳ１０，２０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、自身の浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（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）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。
　また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた通信オペレータの遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信できるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、遠隔制御装置８５から識別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。制御用通信端末装置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。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの情報を、遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。
　セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ　Ｔｏ　Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。
　また、ＡＴＧ局を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。
　なお、上記ＨＡＰＳ１０，２０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。
　図２は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。図２のＨＡＰＳ１０はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳである。上面に太陽光発電機能を有する太陽光発電部としての太陽光発電パネル（以下「ソーラーパネル」という。）１０２が設けられ長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラーパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。
　ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば旋回飛行を行ったり８の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラーパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラーパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。
　図３は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ２０の他の例を示す斜視図である。図３のＨＡＰＳ２０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ２０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、無線中継局２１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。
　なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラーパネルを設け、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。
　図４は、実施形態の複数のＨＡＰＳ１０，２０で上空に形成される無線ネットワークの一例を示す説明図である。複数のＨＡＰＳ１０，２０は、上空で互いに通信（ＨＡＰＳ間通信）できるように構成され、３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた無線通信ネットワークを形成する。この無線通信ネットワークは、各種環境や各種情報に応じたダイナミックルーティングによるアドホックネットワークとして機能することもできる。上記無線通信ネットワークは、２次元又は３次元の各種トポロジーを有するように形成することができ、例えば、図４に示すようにメッシュ型の無線通信ネットワークであってもよい。
　図５は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。図５の無線中継局１１０，２１０はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、３Ｄセル（３次元セル）形成アンテナ部１１１と送受信部１１２とフィード用アンテナ部１１３と送受信部１１４とリピーター部１１５と監視制御部１１６と電源部１１７とを備える。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、ＨＡＰＳ間通信部１２５とビーム制御部１２６とを備える。
　３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。
　フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。
　リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、周波数変換機能を有してもよい。
　監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。
　ＨＡＰＳ間通信部１２５は、レーザ光やマイクロ波等の無線通信媒体を介して周辺の他のＨＡＰＳ１０，２０と通信する。この通信により、ドローン６０等の端末装置と移動通信網８０との間の無線通信を動的に中継するダイナミックルーティングが可能になるとともに、いずれかのＨＡＰＳが故障したときに他のＨＡＰＳがバックアップして無線中継することにより移動通信システムのロバスト性を高めることができる。
　ＨＡＰＳ間通信の無線通信媒体としては、レーザ光やマイクロ波等の各種無線通信媒体を用いることができるが、ＨＡＰＳが位置する高度に応じて無線通信媒体を選んでもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０が雲の影響の小さい比較的高い高度に位置している場合は、そのＨＡＰＳ間通信にレーザ光を用いてもよい。また、ＨＡＰＳ１０，２０が雲の影響の大きい低高度に位置している場合は、そのＨＡＰＳ間通信に雲の影響を受けにくいマイクロ波を用いてもよい。
　ビーム制御部１２６は、ＨＡＰＳ間通信に用いるレーザ光やマイクロ波等のビームの方向及び強度を制御したり、周辺の他のＨＡＰＳ（無線中継局）との間の相対的な位置の変化に応じてレーザ光やマイクロ波等のビームによる通信を行う他のＨＡＰＳ（無線中継局）を切り替えるように制御したりする。この制御は、例えば、ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢、周辺のＨＡＰＳの位置などに基づいて行ってもよい。ＨＡＰＳ自身の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳに組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて取得し、周辺のＨＡＰＳの位置の情報は、移動通信網８０に設けた遠隔制御装置８５又は他のＨＡＰＳ管理サーバから取得してもよい。
　図６は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。図６の無線中継局１１０，２１０は基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図６において、図５と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図６の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、モデム部１１８を更に備え、リピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備える。更に、無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、ＨＡＰＳ間通信部１２５とビーム制御部１２６とを備える。
　モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。
　基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ－ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代又は第５世代以降の次々世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。
　基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。
　図７は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。図７の無線中継局１１０，２１０はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図７において、図５及び図６と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図７の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、図６の構成要素に加えてエッジコンピューティング部１２０を更に備える。
　エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。
　例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行する。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。
　エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり移動通信網８０のサーバ装置などに送信したりしてもよい。
　無線中継局１１０、２１０を介した端末装置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、無線中継局１１０、２１０を介した端末装置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、上記無線通信には、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、上記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通信端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの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。
　図８は、他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。なお、図８において、前述の図１と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
　図８の実施形態では、ＨＡＰＳ１０，２０とフィーダ局７０との間の通信を、人工衛星７２を介して行っている。この場合、人工衛星７２とフィーダ局７０との間の通信は、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。また、ＨＡＰＳ１０，２０と人工衛星７２との間の通信についても、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。
　図９は、更に他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図であり、図１０は、図９の通信システムにおける係留型飛行船タイプのＨＡＰＳ２１の無線中継局２１０の一構成例を示すブロック図である。なお、図９において、前述の図１と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。また、図１０において、図５と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図１０の無線中継局においても、前述の図６と同様にモデム部１１８を更に備えリピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備えてもよく、また、図７と同様に、エッジコンピューティング部１２０を更に備えてもよい。
　図９において、本実施形態の通信システムは、大都市部の所定高度（例えば地上から５［ｋｍ］程度までの高度）の上空エリアに地上から延びた係留索２５で係留された推進力を有しない係留型飛行船からなる大容量多セル対応の係留型飛行船タイプのＨＡＰＳ（以下「係留ＨＡＰＳ」という。）２１を備えている。係留ＨＡＰＳ２１は、ペイロードが大きく（例えば１トン以上）、大容量のバッテリーを搭載することができ、また、係留索２５に併設した電力ケーブルで地上から電力を供給できるため、長寿命化を図ることができる。
　また、図１０の通信ケーブル部１２７により、係留索２５に併設した大容量の光ファイバなどからなる通信ケーブルを介して地上の固定基地局などと通信できるため、都市部に存在する多数の端末装置と地上との間の通信を中継したり、前述の無線通信ネットワークを構成する複数のＨＡＰＳとの間の通信を中継したりすることができる。
　なお、図９及び図１０では、係留ＨＡＰＳ２１の浮揚体が飛行船である場合について示したが、係留ＨＡＰＳの浮揚体は気球であってもよい。
　更に、本実施形態の通信システムでは、複数のソーラープレーン型のＨＡＰＳ１０が大都市部よりも端末装置の密度が低い郊外部、地方部（又は海）の上空に位置して飛行するように制御されている。複数のＨＡＰＳ１０の少なくとも一つは、前述の係留ＨＡＰＳ２１との間で雲９０５の影響を受けにくいマイクロ波などによる無線通信を行うことができる。また、複数のＨＡＰＳ１０のＨＡＰＳ間通信は、例えば前述のようにレーザ光を用いて行ってもよい。これら複数のＨＡＰＳ１０は、郊外部や地方部におけるドローン６０や地上のユーザ端末などの端末装置の有無や密度あるいは時間帯などに応じて必要な場所の上空に移動して端末装置の無線通信を中継するアドホックネットワークを構築することができる。
　図１１は、実施形態の複数のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び係留型飛行船タイプの係留ＨＡＰＳ２１を日本国の上空に配置した無線通信ネットワークの一例の様子を示す説明図である。なお、図１１はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び係留ＨＡＰＳ２１の配置例の一つを図示したものであり、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び係留ＨＡＰＳ２１の数及び位置は図示のものに限定されない。また、図１１は、複数のＨＡＰＳ（ＨＡＰＳ１０及び係留ＨＡＰＳ２１）からなる無線通信ネットワークを日本の上空に構築した例を示しているが、複数のＨＡＰＳからなる無線通信ネットワークは、日本以外の海外の上空に構築してもよいし、日本と海外とにまたがったエリアの上空に構築してもよいし、海の上空に構築してもよい。
　図１１において、北海道エリア、東北エリア、関東甲信越エリア、中部北陸近畿エリア及び九州エリアの大都市部（札幌、仙台、東京、大阪、福岡）の上空に、大容量多セル対応の係留型飛行船タイプの係留ＨＡＰＳ２１が係留されて配置されている。これらの複数の大都市部における係留ＨＡＰＳ２１の間に位置する郊外部や地方部の上空に、係留ＨＡＰＳ２１を補完するように複数のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０が飛行している。また、図示の例では、離島の沖縄の上空にも係留ＨＡＰＳ２１が係留されて配置されている。これらの複数のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び係留ＨＡＰＳ２１により、３次元のメッシュ型などのトポロジーからなる無線通信ネットワークが日本の上空に構築される。この日本上空の無線通信ネットワークにより、第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信にて、伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができる。特に、３次元のメッシュ型などのトポロジーからなる無線通信ネットワークで構築することにより、上記その３次元化したネットワークのロバスト性に高めることができる。
　図１２は、更に他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。なお、図１２において、前述の図９と共通する部分については同じ符号を付し、その説明は省略する。
　図１２の実施形態では、ＨＡＰＳ１０及び係留ＨＡＰＳ２１と移動通信網８０のコアネットワークとの間の通信を、フィーダ局７０及び人工衛星７２を介して行っている。この場合、人工衛星７２とフィーダ局７０との間の通信は、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。また、ＨＡＰＳ１０，２１と人工衛星７２との間の通信についても、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。
　なお、本明細書で説明された処理工程並びに無線中継装置の無線中継局、フィーダ局、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における基地局装置の構成要素は、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、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）、遠隔制御装置、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）において上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、上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上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、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。
　１０，１１，１２　ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
　２０　ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
　２１　ＨＡＰＳ（係留型飛行船タイプ）
　２５　給電用飛行船
　３０　ＡＴＧ局
　４０　セル形成目標空域
　４１，４２，４３　３次元セル
　５０　ＨＡＰＳが位置する空域
　６０　ドローン
　６５　飛行機
　７０　フィーダ局
　７２　人工衛星
　７５　マイクロ波給電局
　８０　移動通信網
　８５　遠隔制御装置
　８６　サーバ装置
　１００，２００，３００　ビーム
　１０１　主翼部
　１０２　ソーラーパネル（太陽光発電パネル）
　１０３　プロペラ
　１０４　連結部
　１０５　ポッド
　１０６　バッテリー
　１０７　車輪
　１０８　受電用ポッド
　１１０，２１０　無線中継局
　１１１　３次元（３Ｄ）セル形成アンテナ部
　１１２　送受信部
　１１３　フィード用アンテナ部
　１１４　送受信部
　１１５　リピーター部
　１１６　監視制御部
　１１７　電源部
　１１８　モデム部
　１１９　基地局処理部
　１２０　エッジコンピューティング部
　１２５　ＨＡＰＳ間通信部
　１２６　ビーム制御部
　１２７　通信ケーブル部

Claims (16)

  1. 　地上基地局と端末装置との無線通信を中継する複数の無線中継局を備える通信システムであって、
    　前記複数の無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される第１浮揚体に設けられ、相互に通信可能な複数の第１無線中継局を含むことを特徴とする通信システム。
  2. 　請求項１の通信システムにおいて、
    　前記第１浮揚体は、前記第１無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーンであることを特徴とすることを特徴とする通信システム。
  3. 　請求項１又は２の通信システムにおいて、
    　前記複数の無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成するように、高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように地上又は海上に係留された第２浮揚体に設けられ、前記複数の第１無線中継局と前記地上基地局との通信を中継する第２無線中継局を含むことを特徴とする通信システム。
  4. 　請求項３の通信システムにおいて、
    　前記第２浮揚体は、前記第２無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であることを特徴とすることを特徴とする通信システム。
  5. 　請求項３又は４の通信システムにおいて、
    　前記第２無線中継局と前記地上基地局との通信は、有線による通信であり、
    　前記第２無線中継局と前記第１無線中継局との通信は、マイクロ波を用いた通信であることを特徴とすることを特徴とする通信システム。
  6. 　請求項３乃至５のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記第２浮揚体は、大都市部の上空に位置するように係留され、
    　前記第１浮揚体は、前記大都市部よりも端末装置の密度が低い郊外部、地方部又は海の上空に位置するように制御されることを特徴とする通信システム。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記複数の無線中継局は、２次元又は３次元のメッシュ型トポロジーからなる無線通信ネットワークを形成することを特徴とすることを特徴とする通信システム。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記複数の無線中継局のいずれかが故障したとき、他の無線中継局がバックアップして無線中継することを特徴とする通信システム。
  9. 　請求項１乃至８のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記複数の第１無線中継局間の通信はレーザ光を用いた無線通信であることを特徴とすることを特徴とする通信システム。
  10. 　請求項９の通信システムにおいて、
    　前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、周辺の他の第１無線中継局との間の相対的な位置の変化に応じて前記レーザ光の方向及び強度を制御す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、
    　前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、周辺の他の第１無線中継局との間の相対的な位置の変化に応じて前記レーザ光による通信を行う他の第１無線中継局を切り替えるように制御することを特徴とする通信システム。
  12. 　請求項９乃至１１のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記複数の第１無線中継局はそれぞれ、夜間の時間帯に前記レーザ光の強度を低下させるように制御することを特徴とする通信システム。
  13. 　請求項１乃至１２のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記第１浮揚体に設けられた第１無線中継局の位置、その第１無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度を制御する遠隔制御装置を備えることを特徴とする通信システム。
  14. 　請求項１乃至１３のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
  15. 　請求項１４の通信システムにおいて、
    　前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
  16. 　請求項１乃至１５のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記第１無線中継局を設けた第１浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする通信システム。
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