WO2020225903A1 - 制御局、中継局、データ伝送システムおよびビーム制御方法 - Google Patents

Abstract

複数のビームを同時に照射可能な中継局を介していずれかのビームに在圏する第一の通信装置と第二の通信装置とがデータの伝送を行うデータ伝送システムにおいて、中継局の動作を制御する制御局（４００）であって、中継局で形成される各ビームのビーム配置に対して、第一の通信装置から第二の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第一の評価指標、および第二の通信装置から第一の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第二の評価指標を導出し、第一の評価指標および第二の評価指標を用いて各ビームの中心位置を決定する演算処理部（４０２）と、各ビームの中心位置に基づいてビーム制御パラメータを設定するビーム制御部（４０４）と、ビーム制御パラメータを制御情報として中継局に送信する制御情報送受信部（４０１）と、を備える。

Description

制御局、中継局、データ伝送システムおよびビーム制御方法

　本発明は、データを中継する中継局を制御する制御局、中継局、データ伝送システムおよびビーム制御方法に関する。

　携帯電話に代表されるセルラシステムは、ユーザ数の増大およびコンテンツの高度化に伴い、要求される伝送容量が増大している。セルラシステムは、基地局がセルを形成し、セル間の干渉が十分に低い異なる基地局で同一周波数を再利用することで、周波数繰り返しによる利用可能総帯域を増大することができる。また、近年は、ミリ波など従来よりも高い周波数帯を利用することで、広帯域化に加え、複数の狭域ビームでセルを形成して信号対雑音電力比を向上し、多値化伝送することが検討されている。

　さらに、宇宙空間で動作する衛星などを用いて、地球上の船舶、航空機など２点間の通信を行う衛星通信システムがある。衛星通信システムでは、大容量化を実現するため、地域毎に異なるビームを照射し、ビーム間の干渉が十分に低減された地域で同一の周波数または偏波を再利用してデータ伝送を行うマルチビーム衛星が運用されている。

　従来の衛星は、周波数、カバレッジエリアなどが固定されたベントパイプ方式によって、等間隔にビームを配置している。等間隔にビームを配置する方式は、カバレッジエリアに対してほぼ均等な回線品質を提供しているが、トラヒック要求の粗密には適応しておらず、結果的に衛星に搭載される機器の数、性能などが過剰になるといった問題がある。

　近年は、周波数、空間などでフレキシビリティを向上させるチャネライザ、またＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｂｅａｍ　Ｆｏｒｍｉｎｇ）によって、トラヒックの地理的および時間的な偏在性に追従することが可能となっている。このような技術を用いて衛星から端末への下り回線情報、具体的には、トラヒック分布および回線品質に応じて、ビーム配置を最適化するビーム配置手法が提案されている。特許文献１には、ビーム配置手法において、所望のスループットを満足する最小のビーム数による配置を導出することにより、等間隔ビーム配置と比較して所要ビーム数を削減する技術が開示されている。

特開２００４－２０１２６９号公報

　衛星通信のユーザリンクにおいて、衛星から端末への下り回線と端末から衛星への上り回線とで使用される周波数に大きな乖離がある場合がある。衛星送信アンテナのパタン、すなわち送信アンテナ利得は周波数に依存することから、ビーム中心からの距離と回線品質の関係が上下回線で異なり、それぞれで最適なビーム配置が異なる場合が生じる。特許文献１に記載のビーム配置手法は、下り回線情報のみを用いるため、上り回線においてビーム配置が最適とならずスループットが低下する可能性がある、という問題があった。

　衛星通信において、端末と外部ネットワークとは、ゲートウェイを介して接続されている。衛星とゲートウェイとの間の回線はフィーダリンクと呼ばれ、衛星と端末との間の回線はユーザリンクと呼ばれている。ユーザリンクとフィーダリンクとがアンテナを共用している場合、ユーザリンクのビーム配置はフィーダリンクの回線品質にも影響を及ぼす。ゲートウェイはビーム中心に近いほどピーク電力からの減衰が少なく回線品質は良くなるため、ビーム中心をゲートウェイ付近に配置することが好ましい。しかしながら、特許文献１に記載のビーム配置手法は、ゲートウェイの位置を考慮していない。そのため、フィーダリンクにおいて回線品質が劣化する可能性がある、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、複数のビームを同時に照射する中継局を備えたデータ伝送システムにおいて、伝送容量を向上しつつ、所要ビーム数を削減できる制御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、本発明は、複数のビームを同時に照射可能な中継局を介していずれかのビームに在圏する第一の通信装置と第二の通信装置とがデータの伝送を行うデータ伝送システムにおいて、中継局の動作を制御する制御局である。制御局は、中継局で形成される各ビームのビーム配置に対して、第一の通信装置から第二の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第一の評価指標、および第二の通信装置から第一の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第二の評価指標を導出し、第一の評価指標および第二の評価指標を用いて各ビームの中心位置を決定する演算処理部と、演算処理部で決定された各ビームの中心位置に基づいて、中継局で各ビームを形成する際に使用されるパラメータであるビーム制御パラメータを設定するビーム制御部と、ビーム制御パラメータを制御情報として中継局に送信する制御情報送受信部と、を備えることを特徴とする。

　本発明にかかる制御局は、複数のビームを同時に照射する中継局を備えたデータ伝送システムにおいて、伝送容量を向上しつつ、所要ビーム数を削減できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係るデータ伝送システムの構成例を示す図 実施の形態１に係る中継局の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る制御局の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係る中継局および制御局を実現するハードウェアの例を示す図 実施の形態１に係る制御局の動作の第一の例を示すフローチャート 実施の形態１に係る中継局が照射するビームパタンの模式図 実施の形態１に係る中継局が照射する複数のビームおよびビームの中心位置を示す図 実施の形態１に係る演算処理部が作成する干渉リストの例を示す図 実施の形態１に係る周波数チャネル制御部が各ビームにチャネルを割り当てた結果であるチャネル割り当てテーブルの例を示す図 実施の形態１に係る演算処理部が各端末の受信信号品質を推定する処理を示す図 実施の形態１に係る制御局の動作の第二の例を示すフローチャート 実施の形態１に係る演算処理部で得られた情報が記録されたテーブルの例を示す図 実施の形態１に係る中継局の動作を示すフローチャート 実施の形態２に係るデータ伝送システムの運用中における構成例を示す図

　以下に、本発明の実施の形態に係る制御局、中継局、データ伝送システムおよびビーム制御方法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１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るデータ伝送システム７００の構成例を示す図である。データ伝送システム７００は、中継局１００と、ゲートウェイ３００と、制御局４００と、を備える。図１では、データ伝送システム７００を用いて通信を行う端末２００および公衆網５００についても、データ伝送システム７００とともに図示している。なお、図１では端末２００およびゲートウェイ３００を二つのみ示しているが、一例であり、データ伝送システム７００に接続される端末２００およびゲートウェイ３００の数は二つに限定されない。データ伝送システム７００は、複数のビームを同時に照射可能な中継局１００を介して、いずれかのビームに在圏する端末２００とゲートウェイ３００とがデータの伝送を行うシステムである。データ伝送システム７００において、制御局４００は、中継局１００の動作を制御する。以降の説明において、ゲートウェイ３００を第一の通信装置と称し、端末２００を第二の通信装置と称することがある。

　図１において、点線および実線は接続形態を示しており、点線は無線接続を示し、実線は有線接続を示している。中継局１００と、端末２００、ゲートウェイ３００、および制御局４００とは無線で接続されている。また、複数のゲートウェイ３００同士は有線で接続されている。ゲートウェイ３００は、制御局４００と有線で接続されるとともに、公衆網５００と有線で接続されている。公衆網５００は、データ伝送システム７００が端末２００に対して外部の他の通信システムであるインターネットなどとの通信を提供する場合に用いられる。データ伝送システム７００が端末２００に対して他の通信システムとの通信サービスを提供しない場合、ゲートウェイ３００は公衆網５００に接続されていなくてよい。図１において、端末２００およびゲートウェイ３００を覆う円は中継局１００が照射する電波の受信可能範囲を示している。電波の受信可能範囲をビームとも言う。ゲートウェイ３００は、端末２００へデータを送信する場合、まず、中継局１００へデータを送信する。中継局１００は、端末２００が在圏するビームに対してデータを送信する。データ伝送システム７００では、中継局１００がデータを中継することにより、２地点間の通信が実現される。なお、データ伝送システム７００において、制御局４００と中継局１００との通信方法は、中継局１００と端末２００との通信方法と異なることを前提とし、制御局４００と中継局１００との通信範囲は上記に限定されない。

　次に、中継局１００および制御局４００の構成について説明する。なお、ゲートウェイ３００および端末２００は本実施の形態において具体的な特徴は有さず、本技術領域に従事する者であれば類推可能なものであるため詳細な構成の説明は省略する。

　図２は、実施の形態１に係る中継局１００の構成例を示すブロック図である。中継局１００は、受信ビームの形状を変更する受信ビーム形成部１０１と、受信したデータを分波し任意のビームに送信するチャネライザ１０２と、送信ビームの形状を変更する送信ビーム形成部１０３と、制御局４００から制御情報を受信し、中継局１００を構成する各機能部の動作を制御する制御情報送受信部１０４と、を備える。制御情報送受信部１０４で生成される制御情報は、ビームを形成する方法に応じて決定される。ビームを形成する方法については、例えば、ビームを単一のフィードで形成する場合、ビームを複数のフィードで形成する場合、ビーム形成がアナログフェーズドアレーの場合、デジタルビームフォーミングの場合などがある。

　図３は、実施の形態１に係る制御局４００の構成例を示すブロック図である。制御局４００は、端末２００の通信要求を受信する制御情報送受信部４０１と、各ビームの中心位置に基づいて評価指標を導出する演算処理部４０２と、各ビームにデータの伝送で使用可能な周波数であるチャネルを割り当てる周波数チャネル制御部４０３と、決定したビーム配置に基づいてビーム制御パラメータを設定するビーム制御部４０４と、を備える。ビーム制御パラメータは、中継局１００で各ビームを形成する際に使用されるパラメータである。

　ここで、図２および図３で示される各部は、各々を単独の装置または回路などのハードウェアとして実現することができる。各部は、単独の回路または装置として構成されてもよいし、複数の機能部が１つの回路または装置として構成されてもよい。また、各部を、メモリおよびメモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサを含む制御回路で実現してもよいし、専用のハードウェアで実現してもよい。

　図４は、実施の形態１に係る中継局１００および制御局４００を実現するハードウェアの例を示す図である。図４に示す制御回路６００は、入力部６０１と、プロセッサ６０２と、メモリ６０３と、出力部６０４と、を備える。入力部６０１は、外部からの信号を受け付ける。出力部６０４は、制御回路６００からの信号を外部に出力する。プロセッサ６０２とは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などである。メモリ６０３とは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）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、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｋ）などである。

　また、中継局１００および制御局４００が専用のハードウェアで実現される場合、専用のハードウェアは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。

　つづいて、ゲートウェイ３００が中継局１００を介して端末２００とデータを送受信する際の、各装置の動作および制御局４００における制御方法について説明する。

　図５は、実施の形態１に係る制御局４００の動作の第一の例を示すフローチャートである。まず、制御局４００において、制御情報送受信部４０１は、端末２００から通信要求を受信する（ステップＳ１０１）。具体的には、制御情報送受信部４０１は、端末２００から制御情報として通信要求および端末２００の位置情報を受信する。通信要求とは、要求トラヒック量、許容遅延、要求ＱｏＳ（Ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）、信号対雑音電力比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｐｏｗｅｒ　Ｒａｔｉｏ）、および許容干渉量のいずれか一つ以上を組み合わせた情報である。同時に、制御情報送受信部４０１は、ゲートウェイ３００から制御情報としてゲートウェイ３００の位置情報を取得する。

　演算処理部４０２は、中継局１００が形成するビームの中心位置の仮決定を行う（ステップＳ１０２）。演算処理部４０２は、所望のサービスエリアに対してビーム中心位置の候補点が予め設定され、ビーム数分のビーム中心位置を候補点の中からランダムに選択することで、ビーム配置を得ることができる。演算処理部４０２は、仮決定したビーム中心位置すなわちビーム配置に対応する評価指標を導出する。評価指標は、スループット、遅延、サービス品質すなわちＱｏＳ、要求に対する満足度、信号対雑音電力比、干渉量、残データ量のうち少なくとも一つ以上によって定義される。評価指標には、後述するように、第一の評価指標、第二の評価指標、および第三の評価指標がある。

　一般的に、衛星を用いたデータの送受信では、ゲートウェイから衛星を経由して端末へデータが送信され、端末から衛星を経由してゲートウェイへデータが送信される。ゲートウェイから端末へのデータ伝送経路をフォワードリンクと呼び、端末からゲートウェイへのデータ伝送経路をリターンリンクと呼ぶ。また、衛星端末間をユーザリンクと呼び、衛星ゲートウェイ間をフィーダリンクと呼ぶ。すなわち、フォワードリンクは、フィーダリンクの上り回線およびユーザリンクの下り回線を併せたリンクである。また、リターンリンクは、ユーザリンクの上り回線およびフィーダリンクの下り回線を併せたリンクである。以下、指定せず上り回線、下り回線と記述する場合は、ユーザリンクの上り回線、下り回線を指すものとする。本実施の形態のデータ伝送システム７００では、図１に示す中継局１００が衛星に相当する。

　本実施の形態において、演算処理部４０２は、フォワードリンク、およびリターンリンクの各々について評価指標を導出する。まず、フォワードリンクにおける処理について説明する。

　演算処理部４０２は、ビームの中心位置を決定することで、ユーザリンクの下り回線において端末２００が在圏するビームを決定することができる。図６は、実施の形態１に係る中継局１００が照射するビームパタンの模式図である。図６において、横軸は角度を示し、縦軸は利得を示す。図６に示すとおり、アンテナ利得のピーク電力からの減衰量によってビームのカバレッジエリア、すなわちビーム径が定義される。ピーク電力からビームエッジまでの減衰量は、ＥＯＣ（Ｅｄｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｖｅｒａｇｅ）と呼ばれる。ただし、仮決定したビーム中心位置が近接していた場合、複数のビームのＥＯＣ内に在圏する端末２００が存在する場合がある。図７は、実施の形態１に係る中継局１００が照射する複数のビームおよびビームの中心位置を示す図である。複数のビームのＥＯＣ内に在圏する端末２００が存在する場合、演算処理部４０２は、ビームの中心位置までの距離が最も近いビームに在圏するものとして、各ビームのカバレッジエリアに基づいてビームに在圏する端末数をカウントする。演算処理部４０２は、具体的には、ステップＳ１０１で取得した端末２００の位置情報に基づいて実施する。

　演算処理部４０２は、在圏する端末２００の通信要求に基づいて、下り回線における各ビームの所要チャネル数を推定する（ステップＳ１０３）。チャネルとは、本実施の形態におけるデータ伝送システム７００が利用可能な周波数帯域を任意の帯域幅で分割したものである。例えば、利用可能な周波数帯域を１ＧＨｚとし、チャネルの帯域幅を１００ＭＨｚとした場合、データ伝送システム７００は合計１０チャネルを有する。

　演算処理部４０２は、ステップＳ１０３の処理とともに、下り回線におけるビーム間の干渉リストを作成する（ステップＳ１０４）。図８は、実施の形態１に係る演算処理部４０２が作成する干渉リストの例を示す図である。具体的には、図８は、ビーム数が６の場合のビーム間の干渉を記録するための干渉リストを示している。図８の干渉リストは、行、列ともにビームＩＤを表しており、各ビームがお互いに与える干渉量を記録したものである。各ビームの干渉量については、ビーム中心位置間の距離と中継局１００の送信アンテナのパタンとを用いて導出することができる。

　周波数チャネル制御部４０３は、下り回線における各ビームへのチャネルの割り当てを行う（ステップＳ１０７）。ここで、データ伝送システム７００は、同一チャネルを異なるビームで繰り返し使用することで周波数利用効率を向上させることが可能であるが、ビーム間距離が近いビームで同一チャネルを使用する場合、干渉の影響が大きくなりチャネルの容量が低下する。そのため、周波数チャネル制御部４０３は、演算処理部４０２で作成された干渉リストに基づいて、干渉量が最小となるようにチャネルの割り当てを行う。図９は、実施の形態１に係る周波数チャネル制御部４０３が各ビームにチャネルを割り当てた結果であるチャネル割り当てテーブルの例を示す図である。図９は、具体的には、ビーム数が６であり、チャネル数が１０である場合のチャネル割り当てテーブルを示している。チャネル割り当てテーブルでは、図９に示すように、チャネルを割り当てる場合は該当する欄に１が記録され、チャネルを割り当てない場合は該当する欄に０が記録される。図９のチャネル割り当てテーブルは、例えば、ビーム＃１にはチャネル＃１からチャネル＃３が割り当てられていることを示している。このように、周波数チャネル制御部４０３が各ビームに割り当てるチャネルの数は、各ビームによって異なっていてもよい。周波数チャネル制御部４０３は、チャネルの割り当てを行うと、チャネル割り当てテーブルを演算処理部４０２へ出力する。

　演算処理部４０２は、各チャネルにおける信号源と干渉源との位置から各端末２００の受信信号品質を推定する。図１０は、実施の形態１に係る演算処理部４０２が各端末２００の受信信号品質を推定する処理を示す図である。演算処理部４０２は、端末２００が在圏するビームのビーム中心位置と端末２００の位置情報とに基づいて、端末２００の受信信号電力を導出する。図１０は、演算処理部４０２が、図９に示すチャネル割り当てテーブルに基づいて、ビーム＃５に在圏する端末２００のチャネル＃４に対する受信信号品質推定を行っている様子を示している。図９に示すチャネル割り当てテーブルによると、チャネル＃４を使用するビームはビーム＃５の他にビーム＃２およびビーム＃４がある。そのため、演算処理部４０２は、ビーム＃５から到来する電波を信号波とし、ビーム＃２およびビーム＃４から到来する電波を干渉波として、信号波および干渉波の強度から受信信号品質の推定を行う。推定された受信信号品質は、ユーザリンクの下り回線における回線品質となる。

　演算処理部４０２は、フィーダリンクの上り回線における回線品質を導出する。具体的には、演算処理部４０２は、仮決定したビーム中心位置とゲートウェイ３００の位置情報とから、フィーダリンクの上り回線における回線品質を導出することができる。演算処理部４０２は、ユーザリンクの下り回線における回線品質と、フィーダリンクの上り回線における回線品質とに基づいて、各チャネルにおいて所望の通信品質を満足する変調方式および符号化率を推定し、チャネル容量を導出する。通信品質は、例えば、誤り率である。例えば、変調方式をＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ）とし、符号化率を０．５とすると、周波数利用効率は１ｂｐｓ／Ｈｚとなる。前述のようにチャネル帯域幅を１００ＭＨｚとすると、チャネル容量は１００Ｍｂｐｓとなる。演算処理部４０２は、導出したチャネル容量に基づいて、フォワードリンクにおける第一の評価指標を導出する（ステップＳ１０８）。第一の評価指標は、中継局１００で形成される各ビームのビーム配置に対して、ゲートウェイ３００から端末２００への伝送方向におけるデータの伝送状態を示すものである。

　リターンリンクを構成するユーザリンクの上り回線は使用周波数帯がユーザリンクの下り回線と異なるため中継局１００の送信アンテナのパタンも下り回線と異なり、同一のＥＯＣを用いた場合、ビーム径が異なる。そのため、端末２００の在圏するビームが下り回線および上り回線で異なる場合も存在し、上り回線では下り回線とは別にビームのカバーエリアの導出、各ビームの所要チャネル数の推定が必要となる。同様に、干渉リストも上り回線では下り回線と別に作成する必要があり、各ビームに対するチャネル割り当てにおいても下り回線で導出したものとは異なる割り当てを行う。フィーダリンクについては、ゲートウェイ３００の位置情報およびビームの中心位置は変わらないが、使用周波数帯がフィーダリンクの上り回線および下り回線で異なるため、フォワードリンクの計算とは別にフィーダリンクの回線品質の導出が必要となる。そのため、制御局４００は、リターンリンクについても、フォワードリンクと同様の処理によって評価指標を導出する。

　具体的には、演算処理部４０２は、在圏する端末２００の通信要求に基づいて、上り回線における各ビームの所要チャネル数を推定する（ステップＳ１０５）。演算処理部４０２は、ステップＳ１０５の処理とともに、上り回線におけるビーム間の干渉リストを作成する（ステップＳ１０６）。周波数チャネル制御部４０３は、上り回線における各ビームへのチャネルの割り当てを行う（ステップＳ１０９）。演算処理部４０２は、ユーザリンクの上り回線における回線品質、およびフィーダリンクの下り回線における回線品質を導出する。演算処理部４０２は、ユーザリンクの上り回線における回線品質と、フィーダリンクの下り回線における回線品質とに基づいて、各チャネルにおいて所望の通信品質を満足する変調方式および符号化率を推定し、チャネル容量を導出する。演算処理部４０２は、導出したチャネル容量に基づいて、リターンリンクにおける第二の評価指標を導出する（ステップＳ１１０）。第二の評価指標は、中継局１００で形成される各ビームのビーム配置に対して、端末２００からゲートウェイ３００への伝送方向におけるデータの伝送状態を示すものである。制御局４００は、ステップＳ１０３，Ｓ１０４，Ｓ１０７，Ｓ１０８の処理、およびステップＳ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０９，Ｓ１１０の処理について、並行して同時に行ってもよいし、順番に行ってもよい。

　演算処理部４０２は、フォワードリンクにおける第一の評価指標、およびリターンリンクにおける第二の評価指標の各々に重み係数を乗算して組み合わせ、ビームの中心位置と対応する第三の評価指標を導出する（ステップＳ１１１）。第一の評価指標および第二の評価指標の組み合わせ方については、例えば、加算する場合、乗算する場合、平均する場合などがある。

　演算処理部４０２は、導出した第三の評価指標が規定された閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１１２）。演算処理部４０２は、第三の評価指標が規定された閾値未満の場合（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、ステップＳ１０２の処理に戻る。制御局４００は、ビーム中心位置を仮決定し評価指標を導出する処理を、第三の評価指標が規定された閾値以上になるまで繰り返し実行する。なお、ビーム配置すなわちビーム中心位置を決定する方法について、演算処理部４０２は、ビーム中心位置の候補点からビーム数分の中心位置を選択する全組み合わせにおける第三の評価指標を導出して記録しておき、閾値以上か否かを判定してもよい。

　演算処理部４０２は、第三の評価指標が規定された閾値以上の場合（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、各ビームのビーム中心位置およびチャネルの情報をビーム制御部４０４に出力する（ステップＳ１１３）。ビーム制御部４０４は、各ビームのビーム中心位置およびチャネルの情報に基づいて各ビームの中心位置およびチャネルを示すビーム制御パラメータを設定し、ビーム制御パラメータを制御情報送受信部４０１に出力する（ステップＳ１１４）。制御情報送受信部４０１は、ビーム制御パラメータを制御情報として中継局１００に送信する（ステップＳ１１５）。このように、演算処理部４０２は、第三の評価指標が規定された閾値以上になるように、各ビームの中心位置を決定する。また、演算処理部４０２は、ステップＳ１０１からステップＳ１１２までの処理によって、第三の評価指標に基づいて、周波数チャネル制御部４０３で割り当てられ、各ビームで使用されるチャネルを決定することができる。これにより、制御局４００は、中継局１００が形成するビームの中心位置を制御することができる。

　なお、制御局４００は、上記の処理時間を短縮するため、ＧＡ（Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）法などの最適化アルゴリズムを用いてもよい。具体的に、ビーム中心位置の決定方法の例としてＧＡ法を用いた場合について説明する。

　図１１は、実施の形態１に係る制御局４００の動作の第二の例を示すフローチャートである。図１１に示すフローチャートは、制御局４００がＧＡ法を用いた場合の動作を示すものである。まず、制御局４００において、制御情報送受信部４０１は、端末２００から通信要求を受信する（ステップＳ２０１）。具体的には、制御情報送受信部４０１は、端末２００から制御情報として通信要求および端末２００の位置情報を受信する。同時に、制御情報送受信部４０１は、ゲートウェイ３００から制御情報としてゲートウェイ３００の位置情報を取得する。演算処理部４０２は、中継局１００が形成するビームの中心位置の仮決定を行う（ステップＳ２０２）。演算処理部４０２は、第一の評価指標および第二の評価指標を導出し、第一の評価指標および第二の評価指標を用いて、ビームの中心位置と対応する第三の評価指標を導出する（ステップＳ２０３）。具体的には、ステップＳ２０３の動作は、図５に示すフローチャートのステップＳ１０３からステップＳ１１１までの動作と同じである。演算処理部４０２は、導出した第三の評価指標を記録する（ステップＳ２０４）。

　制御局４００は、ステップＳ２０２からステップＳ２０４までの動作をｎ回繰り返す。ｎは２以上の整数であり、個体数と呼称する。すなわち、演算処理部４０２は、個体数が規定された数になっていない場合（ステップＳ２０５：Ｎｏ）、ステップＳ２０２の動作に戻る。演算処理部４０２は、個体数が規定された数になった場合（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０６の動作に進む。ここまでの動作によって、演算処理部４０２は、ビーム数分のビーム中心位置の組み合わせ、および対応する第三の評価指標をｎ個生成する。図１２は、実施の形態１に係る演算処理部４０２で得られた情報が記録されたテーブルの例を示す図である。図１２のテーブルでは、個体数が３であり、ビーム数が４である場合の例を示している。演算処理部４０２は、個体毎に、各ビームの中心座標、各ビームが収容するトラヒック、各個体のフォワードリンクにおける第一の評価指標、各個体のリターンリンクにおける第二の評価指標、および各個体の第三の評価指標を設定または導出して記録する。

　演算処理部４０２は、第三の評価指標の高い順にｎ個の個体をソートする。このとき、演算処理部４０２は、上位の個体をエリートとして保存する（ステップＳ２０６）。

　演算処理部４０２は、エリートではない個体に対して、交叉または突然変異を行う（ステップＳ２０７）。演算処理部４０２は、交叉または突然変異を行って生成された個体の情報を上書きする。交叉とは、エリートから二つの個体を選択し、遺伝子であるビーム中心位置を収容トラヒックに基づいて交換する処理である。ビーム中心位置の交換については、二つのエリート個体の各ビームにおける収容トラヒックを比較し、大きい方のビーム中心位置を次の世代のビーム中心位置として設定する。また、突然変異とは、エリートの中から一つの個体を選択し、ビーム中心位置を一つランダムに変更する処理である。交叉または突然変異を行った後、演算処理部４０２は、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４の場合と同様、ビームの中心位置と対応する第三の評価指標を導出し（ステップＳ２０８）、導出した第三の評価指標を記録する（ステップＳ２０９）。

　演算処理部４０２は、ステップＳ２０６からステップＳ２０９までの動作をｇ回繰り返す。ｇは２以上の整数であり、世代数と呼称する。すなわち、演算処理部４０２は、世代数が規定された数になっていない場合（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、ステップＳ２０６の動作に戻る。演算処理部４０２は、世代数が規定された数になった場合（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１１の動作に進む。演算処理部４０２は、テーブルに記録されているｎ個の個体から最も第三の評価指標が大きい個体を選択し、選択した個体の各ビームのビーム中心位置およびチャネルの情報をビーム制御部４０４に出力する（ステップＳ２１１）。ビーム制御部４０４は、各ビームのビーム中心位置およびチャネルの情報に基づいて各ビームの中心位置およびチャネルを示すビーム制御パラメータを設定し、ビーム制御パラメータを制御情報送受信部４０１に出力する（ステップＳ２１２）。制御情報送受信部４０１は、ビーム制御パラメータを制御情報として中継局１００に送信する（ステップＳ２１３）。このように、演算処理部４０２は、第三の評価指標が規定された閾値以上になるように、各ビームの中心位置を決定する。また、演算処理部４０２は、ステップＳ２０１からステップＳ２１０までの処理によって、第三の評価指標に基づいて、周波数チャネル制御部４０３で割り当てられ、各ビームで使用されるチャネルを決定することができる。これにより、制御局４００は、中継局１００が形成するビームの中心位置を制御することができる。

　制御局４００から制御情報を受信した中継局１００の動作について説明する。図１３は、実施の形態１に係る中継局１００の動作を示すフローチャートである。中継局１００において、制御情報送受信部１０４は、中継局１００から制御情報を受信する（ステップＳ３０１）。制御情報送受信部１０４は、制御情報に含まれるビーム制御パラメータを、受信ビーム形成部１０１、チャネライザ１０２、および送信ビーム形成部１０３に出力する。受信ビーム形成部１０１は、ビーム制御パラメータに基づいて、受信ビームを形成する（ステップＳ３０２）。チャネライザ１０２は、ビーム制御パラメータに基づいて、各ビームへの、データ、チャネルなどの割り当てなどを行う（ステップＳ３０３）。送信ビーム形成部１０３は、ビーム制御パラメータに基づいて、送信ビームを形成する（ステップＳ３０４）。ビーム制御パラメータを用いて中継局１００で形成される各ビームの中心位置は、等間隔に配置されてもよいし、図７などに示されるように、不等間隔に配置されてもよい。また、ビーム制御パラメータを用いて中継局１００で形成される各ビームの形状は、中心位置に応じた形状、すなわちビーム毎に異なる形状であってもよい。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、制御局４００では、演算処理部４０２は、端末２００の通信要求および位置情報を用いて、中継局１００で形成される各ビームのビーム配置すなわちビーム中心位置を仮決定する。演算処理部４０２は、フォワードリンクにおける第一の評価指標およびリターンリンクにおける第二の評価指標を導出し、第一の評価指標と第二の評価指標とを組み合わせた第三の評価指標に基づいて、各ビームの中心位置を決定する。ビーム制御部４０４は、演算処理部４０２で決定された各ビームの中心位置に基づいて、ビーム制御パラメータを生成する。制御情報送受信部４０１は、ビーム制御パラメータを制御情報として中継局１００に送信する。制御局４００は、複数の端末２００があって端末２００の分布が一様ではなく粗密がある場合、中継局１００で形成されるビームの中心位置を多くの端末２００のいる位置に配置することができる。これにより、制御局４００は、フォワードリンクおよびリターンリンクの各々の評価指標を用いて各ビームのビーム中心位置を決定することで、データ伝送システム７００において、伝送容量を向上しつつ、所要ビーム数を削減することができる。

　また、制御局４００は、端末２００から端末２００の位置情報を取得し、取得した端末２００の位置情報に基づいて、各ビームのカバレッジエリア内の端末数を求め、各ビームのカバレッジエリア内の端末数に基づいてビーム中心位置を決定する。これにより、制御局４００は、中継局１００である運用中のマルチビーム衛星のビーム配置を決定する場合に、実際の端末数に基づいて、より多くの端末２００を収容可能なビーム配置を決定することができる。

　なお、中継局１００が衛星に搭載されている場合に、制御局４００の機能を衛星に搭載し、制御局４００と衛星の制御部とが接続されるようにする構成にしてもよい。ただし、この場合、中継局１００がゲートウェイ３００および端末２００から受信したデータを復調する必要があるため、中継局１００は、変調器および復調器を備えて再生中継を可能にする構成とする必要がある。

実施の形態２．
　実施の形態２では、運用中に中継局１００のビーム配置を変更しないデータ伝送システムについて説明する。

　図１４は、実施の形態２に係るデータ伝送システム７００ａの運用中における構成例を示す図である。運用中のデータ伝送システム７００ａは、中継局１００と、ゲートウェイ３００と、を備える。データ伝送システム７００ａは、運用中は制御局４００を備えていない。データ伝送システム７００ａにおいて、制御局４００は、データ伝送システム７００ａの設計時におけるビーム配置の決定に用いられる。データ伝送システム７００ａは、運用中に中継局１００のビーム配置を変更することはないので、ビーム配置を決定するための制御局４００はなくてもよい。

　このように、データ伝送システム７００ａは、実施の形態１のデータ伝送システム７００と比較して、リアルタイムにビーム配置を変更することはできないが、簡素な構成にすることができる。

　以上のように、本発明の制御局４００は、中継局１００であるマルチビーム衛星から照射される複数のビームの照射位置を決定する際、フォワードリンクおよびリターンリンクにおいて所望の伝送容量を満足しながら、所要ビーム数を削減可能となるビーム配置を決定することができ、衛星無線システムの運用および設計において有効である。

　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。

　１００　中継局、１０１　受信ビーム形成部、１０２　チャネライザ、１０３　送信ビーム形成部、１０４，４０１　制御情報送受信部、２００　端末、３００　ゲートウェイ、４００　制御局、４０２　演算処理部、４０３　周波数チャネル制御部、４０４　ビーム制御部、５００　公衆網、７００，７００ａ　データ伝送システム。

Claims (12)

1. 　複数のビームを同時に照射可能な中継局を介していずれかのビームに在圏する第一の通信装置と第二の通信装置とがデータの伝送を行うデータ伝送システムにおいて、前記中継局の動作を制御する制御局であって、
   　前記中継局で形成される各ビームのビーム配置に対して、前記第一の通信装置から前記第二の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第一の評価指標、および前記第二の通信装置から前記第一の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第二の評価指標を導出し、前記第一の評価指標および前記第二の評価指標を用いて各ビームの中心位置を決定する演算処理部と、
   　前記演算処理部で決定された各ビームの中心位置に基づいて、前記中継局で各ビームを形成する際に使用されるパラメータであるビーム制御パラメータを設定するビーム制御部と、
   　前記ビーム制御パラメータを制御情報として前記中継局に送信する制御情報送受信部と、
   　を備えることを特徴とする制御局。
2. 　前記ビーム制御パラメータを用いて前記中継局で形成される各ビームの中心位置は不等間隔に配置される、
   　ことを特徴とする請求項１に記載の制御局。
3. 　前記ビーム制御パラメータを用いて前記中継局で形成される各ビームは前記中心位置に応じた形状になる、
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の制御局。
4. 　前記第一の評価指標および前記第二の評価指標は、スループット、遅延、サービス品質、要求に対する満足度、信号対雑音電力比、干渉量、および残データ量のうち少なくとも一つ以上によって定義される、
   　ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の制御局。
5. 　前記演算処理部は、前記第一の評価指標と前記第二の評価指標とを組み合わせた第三の評価指標が規定された閾値以上になるように、各ビームの中心位置を決定する、
   　ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の制御局。
6. 　前記演算処理部は、前記第一の評価指標および前記第二の評価指標の各々に重み係数を乗算して組み合わせて、前記第三の評価指標を導出する、
   　ことを特徴とする請求項５に記載の制御局。
7. 　各ビームにデータの伝送で使用可能な周波数であるチャネルを割り当てる周波数チャネル制御部、
   　を備え、
   　前記周波数チャネル制御部が各ビームに割り当てるチャネルの数は各ビームによって異なる、
   　ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の制御局。
8. 　前記演算処理部は、前記第一の評価指標と前記第二の評価指標とを組み合わせた第三の評価指標に基づいて、前記周波数チャネル制御部で割り当てられ、各ビームで使用されるチャネルを決定する、
   　ことを特徴とする請求項７に記載の制御局。
9. 　前記ビーム制御部は、前記演算処理部で決定された各ビームの中心位置およびチャネルを示すビーム制御パラメータを設定し、
   　前記制御情報送受信部は、前記ビーム制御部で設定されたビーム制御パラメータを制御情報として前記中継局に送信する、
   　ことを特徴とする請求項８に記載の制御局。
10. 　請求項９に記載の制御局から制御情報を受信する制御情報送受信部と、
    　前記制御情報に基づいて受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、
    　前記制御情報に基づいて送信ビームを形成する送信ビーム形成部と、
    　を備えることを特徴とする中継局。
11. 　請求項９に記載の制御局と、
    　請求項１０に記載の中継局と、
    　を備えることを特徴とするデータ伝送システム。
12. 　複数のビームを同時に照射可能な中継局を介していずれかのビームに在圏する第一の通信装置と第二の通信装置とがデータの伝送を行うデータ伝送システムにおいて、前記中継局の動作を制御する制御局のビーム制御方法であって、
    　演算処理部が、前記中継局で形成される各ビームのビーム配置に対して、前記第一の通信装置から前記第二の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第一の評価指標、および前記第二の通信装置から前記第一の通信装置への伝送方向におけるデータの伝送状態を示す第二の評価指標を導出し、前記第一の評価指標および前記第二の評価指標を用いて各ビームの中心位置を決定する第１のステップと、
    　ビーム制御部が、前記演算処理部で決定された各ビームの中心位置に基づいて、前記中継局に対して各ビームを形成する際に使用されるパラメータであるビーム制御パラメータを設定する第２のステップと、
    　制御情報送受信部が、前記ビーム制御パラメータを制御情報として前記中継局に送信する第３のステップと、
    　を含むことを特徴とするビーム制御方法。

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