WO2022019126A1

WO2022019126A1 - Ｈａｐｓのマルチフィーダリンクにおけるｈａｐｓ搭載アンテナ位置変更による動的な伝搬空間相関の改善

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Publication number: WO2022019126A1
Application number: PCT/JP2021/025691
Authority: WO
Inventors: 隆史藤井
Original assignee: Ｈａｐｓモバイル株式会社
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2022-01-27
Also published as: JP2022021504A; EP4187807A1; JP7089558B2; EP4187807A4

Abstract

空中浮揚型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）に組み込まれた複数のフィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）と複数のゲートウェイ（ＧＷ）局との間の複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなることによる通信品質の劣化を防止する。空中滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）は、互いに時間同期された複数のＧＷ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するフィーダリンク通信部と、複数のＧＷ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部と、複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値（ＳＩＮＲ、特異値又は固有値）を取得する手段と、相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させる手段と、を備える。

Description

ＨＡＰＳのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ搭載アンテナ位置変更による動的な伝搬空間相関の改善

　本発明は、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の空中浮揚型の無線中継装置のマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ搭載アンテナ位置変更による動的な伝搬空間相関の改善に関するものである。

　従来、空中に浮揚して滞在可能な高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）等の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この空中浮揚型の通信中継装置における通信回線は、その通信中継装置と移動通信網側のゲートウェイ（ＧＷ）局との間のフィーダリンクと、通信中継装置と端末装置との間のサービスリンクとで構成される。

　本出願人は、空中浮揚型の通信中継装置（以下「上空中継装置」という。）のフィーダリンクの周波数有効利用の向上を図ることができる通信システムを提案した（特許文献２参照）。この通信システムは、上空中継装置との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する空間分割多重通信を行う複数のゲートウェイ局を備える。この通信システムによれば、上空中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局との位置関係に基づいてウェイトを計算し、計算したウェイトを用いることにより上空中継装置と複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンク通信において複数のフィーダリンク間の干渉を低減することができる。

米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書特開２０２０－０３６１００号公報

　本発明者は上記通信システムにおけるフィーダリンク間の干渉低減性能について鋭気研究した結果、次のような更に改善すべき課題があることがわかった。すなわち、上空中継装置が上空で回転したり移動したりしたとき、上空中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナのビームフォーミングを行うとＦＢ比（指向性ビームの前方利得／後方利得）が低下し、フィーダリンク用アンテナの利得を考慮したフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなって各フィーダリンクで送受信される信号の分離が難しくなり、通信品質が劣化するおそれがあることがわかった。

　本発明の一態様に係る通信中継装置は、端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置である。この通信中継装置は、互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するフィーダリンク通信部と、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部と、前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得する手段と、前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させる手段と、を備える。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置の仮想基準点と前記複数のフィーダリンク用アンテナとの間の複数の配置距離の少なくとも一つの配置距離を変化させてもよい。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置の仮想基準点を基準にした仮想基準方向に対する前記複数のフィーダリンク用アンテナの複数の配置角度の少なくとも一つの配置角度を変化させてもよい。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置の仮想基準点を中心とした仮想円上の互いに異なる位置に、前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えてもよい。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置の仮想基準点を中心とした半径が互いに異なる複数の仮想円上に前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えてもよい。

　前記通信中継装置において、前記通信中継装置の仮想基準点を通る中心軸を有する円柱状又は角柱状の支持部材の外周面における軸方向及び周方向の少なく一方の方向における位置が互いに異なるように前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えてもよい。

　前記通信中継装置において、前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナによって前記複数のゲートウェイ局から受信された複数の信号のＳＩＮＲであってもよい。

　前記通信中継装置において、前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて推定した前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答における複数の特異値又は固有値であってもよい。

　前記通信中継装置において、前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナが前記複数のゲートウェイ局の方向にビームフォーミングしたときの複数の指向性ビームのＦＢ比（指向性ビームの前方利得／後方利得）であってもよい。

　前記通信中継装置において、前記相関指標値は、前記複数のゲートウェイ局から前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおける伝搬空間相関の程度を示し、前記複数のフォワードリンクの通信を行っているときに前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させてもよい。

　前記通信中継装置において、前記相関指標値は、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおける伝搬空間相関の程度を示し、前記複数のリバースリンクの通信を行っているときに前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させてもよい。

　本発明の更に他の態様に係るシステムは、前記いずれかの通信中継装置と、互いに時間同期され前記空中滞在型の通信中継装置の前記中継通信局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局と、を備える。

　本発明の更に他の態様に係る干渉抑圧方法は、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局と、同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間におけるフィーダリンクの干渉抑圧方法である。この干渉抑圧方法は、互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信することと、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧することと、前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得することと、前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させることと、を含む。

　本発明の更に他の態様に係るプログラムは、端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムである。このプログラムは、互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するためのプログラムコードと、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのプログラムコードと、前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得するためのプログラムコードと、前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させるためのプログラムコードと、を含む。

　本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置に組み込まれた複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局との間の複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなることによる通信品質の劣化を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳのセル構成の一例を示す説明図である。図２Ａは実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図である。図２Ｂは、ＨＡＰＳの複数のフィーダリンク用アンテナと複数のＧＷ局との関係を上方から見た説明図である。図３は、実施形態に係る複数のＧＷ局のＧＷアンテナがＨＡＰＳを追尾する様子の一例を示す説明図である。図４は、実施形態に係る複数のＧＷ局のＧＷアンテナがＨＡＰＳを追尾する様子の他の例を示す説明図である。図５は、実施形態に係るＨＡＰＳの複数のＦＬアンテナの指向性ビームの一例を示す説明図である。図６は、実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の一例を示す説明図である。図７は、実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の他の例を示す説明図である。図８は、実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の更に他の例を示す説明図である。図９は、複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク干渉の一例の説明図である。図１０は、複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のリバースリンク干渉の一例の説明図である。図１１は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。図１２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ側（受信側）に設けたフォワードリンクの干渉キャンセラー部の概略構成の一例を示す説明図である。図１３は、ＺＦ法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。図１４は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるフィーダリンクの伝搬路応答Ｈの一例を示す説明図である。図１５は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける基準経路長の一例を示す説明図である。図１６は、図１５におけるＧＷ局のアンテナとＨＡＰＳのＦＬアンテナとの間の経路長の一例を示す説明図である。図１７は、図１５におけるＧＷ局のアンテナとＨＡＰＳのＦＬアンテナとの間の基準経路長を基準にした経路差の一例を示す説明図である。図１８は、各ＧＷ局から送信される上り回線の送信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図１９は、ＨＡＰＳで受信された上り回線の受信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２０は、伝搬路応答の導出に用いられるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２１は、フィーダリンクの伝搬路応答の導出モデルの一例を示す説明図である。図２２Ａは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける伝搬路応答の各要素とＨＡＰＳの各ＦＬアンテナの指向性ビームとの関係の一例を示す説明図である。図２２Ｂは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける伝搬路応答の各要素とＨＡＰＳの各ＦＬアンテナの指向性ビームとの関係の一例を示す説明図である。図２３Ａは、図２２Ａ及び図２２Ｂの状態からＨＡＰＳが上空で回転したときに各ＦＬアンテナの指向性ビーム（主ビーム）の方向がＧＷ局の方向からずれる様子の一例を示す説明図である。図２３Ｂは、図２２Ａ及び図２２Ｂの状態からＨＡＰＳが上空で回転したときに各ＦＬアンテナの指向性ビーム（主ビーム）の方向がＧＷ局の方向からずれる様子の一例を示す説明図である。図２４Ａは、図２３Ａ及び図２３Ｂの状態から各ＦＬアンテナの指向性ビーム（主ビーム）をＧＷ局の方向を向くようにビームフォーミングを行ったときの指向性ビームの方向及びビームパターンの崩れの様子の一例を示す説明図である。図２４Ｂは、図２３Ａ及び図２３Ｂの状態から各ＦＬアンテナの指向性ビーム（主ビーム）をＧＷ局の方向を向くようにビームフォーミングを行ったときの指向性ビームの方向及びビームパターンの崩れの様子の一例を示す説明図である。図２５は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける伝搬路長の一例を示す説明図である。図２６は、ＦＬアンテナと各ＧＷ局との伝搬路長の差（経路差）に影響を与える要因を示す説明図である。図２７Ａは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを３次元的に移動させてフィーダリンクの経路長を変更するアンテナ移動式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２７Ｂは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを３次元的に移動させてフィーダリンクの経路長を変更するアンテナ移動式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２８Ａは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを選択してフィーダリンクの経路長を変更するアンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２８Ｂは、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを選択してフィーダリンクの経路長を変更するアンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２９は、図２８Ａ及び図２８ＢのＦＬアンテナの切替前後のアンテナ主面に垂直な方向とＧＷ局の方向との角度差の変化を示す説明図である。図３０は、アンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の他の構成例を示す説明図である。図３１は、アンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の更に他の構成例を示す説明図である。図３２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのＨＡＰＳ回転時におけるＦＬアンテナで受信した受信信号のＳＩＮＲの変化の一例を示すグラフである。図３３は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのＨＡＰＳ回転時におけるフィーダリンクの伝搬路応答Ｈの特異値の変化の一例を示すグラフである。図３４は、実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の主要構成の一例を示す説明図である。

　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におけるＨＡＰＳ２０のセル構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、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、複数の空中浮揚型の通信中継装置（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」、「成層圏プラットフォーム」ともいう。）２０を備えている。ＨＡＰＳ２０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。ＨＡＰＳ２０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］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体としての飛行船に、中継通信局２１が搭載されたものである。

　ＨＡＰＳ２０の位置する空域は、例えば、地上（又は海や湖などの水上）の高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下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。

　本実施形態の通信システムにおける１又は２以上の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は、ＨＡＰＳ２０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）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。

　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は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、ＨＡＰＳ２０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６１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。

　ＨＡＰＳ２０の中継通信局はそれぞれ、サービスリンク用アンテナ（以下「ＳＬアンテナ」という。）２１５により、移動局である端末装置６１と無線通信するための複数のビームを地面に向けて形成する。端末装置６１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に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セルである。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。

　ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１はそれぞれ、例えば、地上（又は海上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上）側の基地局に接続された中継局としてのフィーダ局（リピータ親機）７０と無線通信するリピータ子機である。

　ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、フィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）２１１により無線通信可能な地上又は海上に設置されたフィーダ局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。ＨＡＰＳ２０とフィーダ局７０との間のフィーダリンクの通信は、マイクロ波又はミリ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。

　ＨＡＰＳ２０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）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ２０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）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。

　また、ＨＡＰＳ２０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理は、移動通信網の通信センター等に設けられた管理装置としての管理装置（「遠隔制御装置」ともいう。）によって制御できるようにしてもよい。管理装置は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。この場合、ＨＡＰＳ２０は、管理装置からの制御情報を受信したり管理装置に監視情報などの各種情報を送信したり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、管理装置８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、ＨＡＰＳ２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理に関する情報、ＨＡＰＳ２０の状態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監視情報を、管理装置等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、ＨＡＰＳの目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、ＨＡＰＳ２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。

　中継通信局２１と端末装置６１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、中継通信局２１と端末装置６１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、前記無線通信には、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、前記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。

　なお、以下の実施形態では、端末装置６１と無線通信する中継通信局２１を有する通信中継装置が、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０の場合について図示して説明するが、通信中継装置はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳであってもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ以外の他の空中浮揚型の通信中継装置にも同様に適用できる。

　また、ＨＡＰＳ２０とフィーダ局としてのゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」と略す。）７０を介した基地局９０との間のリンクを「フィーダリンク」といい、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ２０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１からＨＡＰＳ２０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」ともいう。

　図１において、通信中継装置は無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であるが、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳあってもよい。また、図示の例において、ＨＡＰＳ２０の高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ２０が複数のセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）を形成し、その複数セル（７セル）構成のセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）のフットプリント２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）からなるサービスエリア２０Ａの直径は１００～２００ｋｍであるが、これらに限定されるものではない。

　図１において、成層圏に位置するＨＡＰＳ２０を用いた地上（又は水上）の端末装置６１と直接通信する通信サービスは、サービスエリアの拡大、災害時の通信手段として非常に魅力的である。ＨＡＰＳ２０の通信回線はＧＷ局７０とＨＡＰＳ２０との間を結ぶフィーダリンクＦＬと、ＨＡＰＳ２０と端末装置６１との間を結ぶサービスリンクＳＬから成る。サービスリンクの通信容量はその中継周波数であるフィーダリンクの通信容量で決まることから、フィーダリンクの周波数利用効率を高める必要がある。特に図１に示すようにサービスリンクが多セル構成になった場合はフィーダリンクの通信容量が不足しやすくなるため、フィーダリンクの周波数有効利用技術が不可欠である。しかしながら、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０を一対一で構成した場合、フィーダリンクの周波数利用効率を高めることが難しい。

　そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０との間の周波数分割複信（ＦＤＤ）方式のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のＧＷ局を備え、一つのＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間に形成したマルチフィーダリンクにおいて空間分割多重通信を行う複数ゲートウェイシステム（以下「複数ＧＷシステム」ともいう。）を構築している。この複数ＧＷシステムでは、複数のフィーダリンク間の干渉を除去することにより、設置するＧＷ局の数の分だけ周波数利用効率を向上できる。

　なお、以下の実施形態では、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間の空間分割多重通信をフィーダリンクのフォワードリンクのみで行う場合について説明するが、当該空間分割多重通信は、フィーダリンクのリバースリンクのみで行ってもよいし、フォワードリンクとリバースリンクの両方で行うようにしてもよい。

　図２Ａは実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図であり、図２ＢはＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との関係を上方から見た説明図である。図示の例では、ＦＬアンテナの数（Ｎ）及びＧＷ局の数（Ｎ）はそれぞれ同数（図示の例では３）であり、同数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及びＧＷ局７０（１）～７０（３）を互いに１対１で対応させて設けている。また、ＦＬアンテナ２１１及びＧＷ局７０の組数は２組でもよいし、４組以上であってもよい。また、図示の例では複数のＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０からの距離及びＧＷ局間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方は互いに異ならせてもよい。各ＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（「ＨＡＰＳ局アンテナ」ともいう。）の受信する複素振幅が無相関となるように配置する。また、ＧＷ局７０（１）～７０（３）のフィーダリンク用アンテナ（以下「ＧＷアンテナ」という。）７１（１）～７１（３）は互いに直交する垂直偏波（Ｖ）及び水平偏波（Ｈ）の２偏波で送受信可能である。また、図示の例ではＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）は、ＨＡＰＳ２０の中心からの距離及びＦＬアンテナ間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。例えば、当該距離及び当該間隔はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。

　また、図３に示すように、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）はそれぞれ、空中で移動するＨＡＰＳ２０を追尾するようにＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。図中の破線のＨＡＰＳ２０’は移動前の位置を示し、図中の実線のＨＡＰＳ２０は移動後の位置を示している。ＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。

　また、図４に示すように、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）はそれぞれ、空中で旋回して移動（旋回飛行）するＨＡＰＳ２０を追尾するようにＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。図中の破線のＨＡＰＳ２０’は旋回移動前の位置を示し、図中の実線のＨＡＰＳ２０は旋回移動後の位置を示している。ＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の旋回移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。

　また、図５に示すように、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）はそれぞれ、ＧＷ局７０（１）～７０（３）に対応するアンテナ指向性ビーム（以下「指向性ビーム」又は「ビーム」という。）２１２（１）～２１２（３）を有し、ＨＡＰＳ２０は、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くようにＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）はそれぞれ、例えば、自身に最も対向しているＧＷ局７０の方向を向き、その他のＧＷ局には干渉を与えないように、すなわち、主ビームの利得と反対方向の利得の比（Ｆ／Ｂ）が十分に大きくなるように形成される。これにより、ＨＡＰＳ２０が移動したり回転したりした場合もで、そのＨＡＰＳ２０の移動及び回転によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。

　ＨＡＰＳ２０のアンテナ制御部による複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）の制御方式としては、ジンバル方式、電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）、電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）など、各種の方式を用いることができる。

　例えば、図６のジンバル方式では、ＨＡＰＳ２０の上下方向の軸（ヨーイング軸、Ｚ軸）を中心とした回転（旋回）に応じて、その軸を中心として複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の全体を機械的に回転駆動制御可能である。例えば、図６において、ＨＡＰＳ２０が左回転方向Ｒｂに約４５度回転すると、その回転方向とは逆の右回転方向Ｒａに複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の全体を機械的に回転駆動させる。

　各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の角度調整の回転駆動制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルの値を参照して各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。例えば、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を小刻みに回転させ、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行う。ここで、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へのＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。各また、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向に指向性ビームが向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を回転駆動制御してもよい。

　なお、図６では各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の水平方向の角度調整について示しているが、垂直方向についても同様に角度調整を行ってもよい。

　上記ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御により、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

　また、図７の電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１３ａを円周形状に沿って配置したサーキュラーアレイアンテナ２１３を備える。そして、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数のアンテナ素子２１３ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御する。例えば、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢の情報は、ＨＡＰＳ２０に組み込んだＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムと慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とを組み合わせたＧＮＳＳ慣性航法システム（ＧＮＳＳ／ＩＮＳ）の出力に基づいて取得してもよい。

　上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの受信レベルの値を参照し、各ＧＷ局に対応する位置で最大の受信レベルとなる指向性ビームを形成するように、各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行ってもよい。例えば、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの位相を小刻みに変化させ、受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度方向にビームが形成されるように各各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行う。また、サーキュラーアレイアンテナ２１３から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成してもよい。

　なお、図７では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。

　上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御により、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）を形成する。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

　図８の電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１４ａを平面状に２次元配置した複数の平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を備える。そして、ＧＮＳＳ／ＩＮＳなどによって取得されたＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数の平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の複数のアンテナ素子２１４ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御するビームフォーミング制御を行う。

　上記平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルの値を参照し、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）が最大の受信レベルとなるようにアンテナ切り替えとビームフォーミングの制御を行ってもよい。例えば、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を小刻みに回転させ、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各の回転駆動制御を行う。ここで、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに、平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替えを行うとともに、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へビームを形成するビームフォーミングを行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。また、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）が最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成するようにアンテナ切り替えとビームフォーミングを行ってもよい。

　なお、図８では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。

　上記平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御により、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）を形成する。ここで、例えば、平面アレイアンテナ２１４（１）の平面に垂直な法線方向に対して指向性ビーム２１２（１）が傾いている角度（図中のθ）が予め設定した所定角度θｔｈ度よりも大きくなったときに、ＧＷ局７０（１）に対応するＦＬアンテナを平面アレイアンテナ２１４（２）に切り替える。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。

　上記構成の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク及びリバースリンクの少なくとも一方における干渉が大きくなるおそれがある。例えば、図９に示すように、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号（所望信号）Ｓ１がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で受信されているときに、他のＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された信号が干渉信号Ｉ２，Ｉ３としてＦＬアンテナ２１１（１）で受信される。そのため、フィーダリンクのＳＩＮＲ特性が悪化するおそれがある。また、図１０に示すように、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）から送信された希望信号（所望信号）Ｓ１がＧＷ局７０（１）で受信されているときに、ＨＡＰＳ２０の他のＦＬアンテナ２１１（２），２１１（３）から送信された信号が干渉信号Ｉ２，Ｉ３としてＧＷ局７０（１）で受信される。そのため、フィーダリンク（リバースリンク）のＳＩＮＲ特性が悪化するおそれがある。

　そこで、本実施形態では、以下に示すように見通し環境（ＬＯＳ：Line-Of-Sight）対応のＭＩＭＯ干渉キャンセラーをＧＷ局間（フィーダリンク間）に適用し、ＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク及びリバースリンクの干渉を低減することにより、フィーダリンク（フォワード、リバースリンク）のＳＩＮＲ特性を向上させている。

　まず、本実施形態の複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンクの干渉を低減する構成及び方法について説明する。

［ＨＡＰＳ側（送信側）のフォワードリンクのＭＩＭＯ干渉キャンセラー（受信干渉キャンセラー）］
　図１１は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。図１２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ側（送信側）に設けたフォワードリンクの干渉キャンセラー部２２０の概略構成の一例を示す説明図である。ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）は、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号Ｓ１（Ｙ１１）と、ＧＷ局７０（２）から送信された干渉信号Ｉ２（Ｙ１２）と、ＧＷ局７０（３）から送信された干渉信号Ｉ３（Ｙ１３）とを受信する。その受信信号ＡＮ１は、次式（１）で表される。

　ＨＡＰＳ２０の干渉キャンセラー部２２０では、次式（２）に示すように他のＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）で受信された信号Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ対応するウェイトＷ２，Ｗ３を掛け、減算することにより、上記干渉信号Ｉ２，Ｉ３をキャンセルした希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力することができる。ＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された希望信号Ｓ２（Ｙ２２）及びＳ３（Ｙ３３）についても同様に他のＧＷ局からの干渉信号をキャンセルすることができる。

　図１３は、ＺＦ（Zero-Forcing）法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。例えばＧＷ局７０（１）から送信された信号は、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で希望信号Ｓ１（Ｙ１１）として受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ１（Ｙ１２），Ｉ１’（Ｙ１３）としてＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）に受信される。更に、ＧＷ局７０（２）から送信された信号は、干渉信号Ｉ２（Ｙ２１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ２’（Ｙ２３）としてＦＬアンテナ２１１（３）に受信される。更に、ＧＷ局７０（３）から送信された信号は、干渉信号Ｉ３（Ｙ３１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ３’（Ｙ３２）としてＦＬアンテナ２１１（２）に受信される。図１３のＭＩＭＯ干渉キャンセラーでは、これらの干渉信号Ｉ１，Ｉ１’，Ｉ２’及びＩ３’を考慮し、例えば次式（３）に示すように希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力する。これにより、ＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉抑圧の精度を高めることができる。

　上記ＭＩＭＯ干渉キャンセラーに用いるウェイトＷを計算するには、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の伝搬路応答Ｈ（図１４参照）を把握する必要がある。特に、本実施形態の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局７０（１）～７０（３）に対してＨＡＰＳ２０の機体が相対的に動くため、その動きに応じて伝搬路応答Ｈも変化する。

　次式（４）は、図１４に示す複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局７０（１）～７０（３）のアンテナとＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の伝搬路の伝搬路応答Ｈの一例を示している。ＧＷ局７０（１）～７０（３）のアンテナはそれぞれ希望信号（所望信号）ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３を送信し、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）はＧＷ局７０（１）～７０（３）からの電波を受信して受信信号ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３を出力する。

　次式（５）は伝搬路応答Ｈ中の行列要素を示している。式（５）中の｜ｈ_ｉｊ｜は、第ｉ番目のＧＷ局７０（ｉ）のアンテナから送信されＨＡＰＳ２０の第ｊ番目のＦＬアンテナ２１１（ｊ）で受信された信号の受信信号レベルに対応する。また、式（５）中のｄ_ｉｊは、ＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＨＡＰＳ２０の第ｊ番目のＦＬアンテナ２１１（ｊ）との間の経路長（図９参照）である。式（５）中の「ｆ」及び「ｃ」はそれぞれ、送受信される信号の周波数及び速度（＝光速）である。

　上記式（４）及び式（５）に示すように、伝搬路応答Ｈを推定するには、ＧＷ局７０（ｉ）とＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（ｊ）との間の経路長ｄ_ｉｊを把握する必要がある。各経路長ｄ_ｉｊを把握するのは困難である。そこで、本実施形態では、各経路長ｄ_ｉｊを把握するのではなく、複数ＧＷシステムのフィーダリンクにおいて希望信号の送受信するアンテナ間の経路長を基準経路長ｄｓとし、他のアンテナ間の経路長を基準経路長ｄｓ及び経路差Δｄで表し、経路差Δｄを求めることで基準となる基準経路成分からなる伝搬路応答（以下「基準伝搬路応答」ともいう。）に対する経路差成分からなる相対的な伝搬路応答（以下「相対伝搬路応答」ともいう。）を推定している。

　例えば、図１５の複数ＧＷシステムのフィーダリンクでは、ＧＷ局７０（１）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）に希望信号を送信し、ＧＷ局７０（２）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（２）に希望信号を送信し、ＧＷ局７０（３）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（３）に希望信号を送信している。従って、ＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（ｉ）の間の３つの経路長ｄ_ｉｉ（ｉ＝１，２，３）それぞれが基準経路長であり、他のＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（ｊ）の間の経路長ｄ_ｉｊ（ｉ≠ｊ）はそれぞれ、基準経路長ｄ_ｉｉ（ｉ＝１，２，３）と経路差Δｄ_ｉｊ（ｉ≠ｊ）との和で表すことができる。

　例えば、第１番目のＧＷ局７０（１）から送信した信号をＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）で受信する伝搬路の場合、ＧＷ局７０（１）のアンテナとＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の経路長ｄ_１１、ｄ_２１、ｄ_３１（図１６参照）を直接把握するのは困難である。希望信号を送受信するＧＷ局７０（１）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（１）との間の経路長ｄ_１１を基準経路長とすると、他の経路の経路長ｄ_２１、ｄ_３１は次式（６）に示すように基準経路長ｄ_１１と経路差Δｄ_２１、Δｄ_３１（図１７参照）との和で表すことができる。

　上記経路差Δｄ_ｉｊ（ｉ≠ｊ）は後述のようにパイロット信号により把握することができる。また、次式（７）に示すように伝搬路応答Ｈは経路差成分Δｈ_ｉｊ（ｉ≠ｊ）からなる相対伝搬路応答及び基準経路成分ｈ_ｉｉ（ｉ＝１，２，３）からなる基準伝搬路応答で表すことができる。また、式（７）中の経路差成分Δｈ_ｉｊは次式（８）で表される。式（８）中の経路差Δｄ_ｉｊを求めることにより、基準伝搬路応答に対する相対伝搬路応答（経路差成分Δｈ_ｉｊ）を推定している。

　本実施形態では、上記伝搬路応答Ｈを動的に把握するため、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）からパイロット信号を送信している。なお、以下の例では、狭帯域のパイロット信号を用いる場合について説明するが、互いに直交する複数の拡散符号を用いてスペクトル拡散したパイロット信号を用い、そのパイロット信号をスペクトル逆拡散した受信結果に基づいて伝搬路応答を推定してもよい。

　図１８は、ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される上り回線の送信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図１９は、ＨＡＰＳ２０で受信される上り回線の受信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２０は、フィルターで分離され伝搬路応答の導出に用いられるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２１は、図１８～図２０のパイロット信号を用いたフィーダリンクの伝搬路応答の導出モデルの一例を示す説明図である。

　図示の例では、ＧＷ局７０（１）～７０（３）から希望信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３が送信されるフィーダリンクの送信信号帯域ＦＢに低周波側及び高周波側から隣接する第１の隣接帯域である第１ガードバンドＧＢ１及び第２の隣接帯域である第２ガードバンドＧＢ２それぞれに、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される複数のパイロット信号が分散配置されている。具体的には、第１ガードバンドＧＢ１に各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される同一周波数の互いに周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３が異なるパイロット信号Ｓ_Ｐ１，Ｓ_Ｐ２，Ｓ_Ｐ３が位置している。また、第２ガードバンドＧＢ２に各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される互いに周波数ｆ_１’，ｆ_２’，ｆ_３’が異なるパイロット信号Ｓ_Ｐ１’，Ｓ_Ｐ２’，Ｓ_Ｐ３’が位置している。ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、ＧＷ局７０（１）、７０（２）及び７０（３）から受信した第１ガードバンドＧＢ１の複数のパイロット信号Ｓ_Ｐ１，Ｓ_Ｐ２，Ｓ_Ｐ３をそれぞれフィルターで分離し、ＧＷ局７０（１）、７０（２）及び７０（３）から受信した第２ガードバンドＧＢ２の複数のパイロット信号Ｓ_Ｐ１’，Ｓ_Ｐ２’，Ｓ_Ｐ３’をそれぞれフィルターで分離する。

　次に、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、図１８に示すように受信信号から狭帯域受信フィルター２１８を用いて各パイロット信号Ｓ_Ｐｉ（ｉ＝１～３）を分離し（図１９参照）、分離したパイロット信号Ｓ_Ｐｉから、k番目のＧＷ局７０（ｋ）からＨＡＰＳ２０のｉ番目のＦＬアンテナ２１１（ｉ）への伝搬路応答ｈ_ｋｉを求める。中継通信局２１は、求めた伝搬路応答ｈ_ｋｉの情報（次式（９）及び式（１０）参照）を干渉キャンセラー部２２０に出力する。

　例えば、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）が受信するパイロット信号ｈ_１１，ｈ_１１’，ｈ_２１及びｈ_２１’はそれぞれ次式（１１）、（１２）、（１３）及び（１４）で表され、それらの信号の比ｈ_２１／ｈ_１１及びｈ_２１’／ｈ_１１’はそれぞれ、次式（１５）及び（１６）で表される。

　上記式（１１）～（１６）中のｄ_１１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）との間の経路長であり、Δｄ_２１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）それぞれとの間の経路長の差（経路差）である。ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（２）との間の経路長はｄ_１１＋Δｄ_２１で表される。

　上記式（１５）及び（１６）から、上記経路差Δｄ_２１は次式（１７）で求めることができる。なお、式（１７）中のθは、ｈ_１１’とｈ_１１の位相差と、ｈ_２１とｈ_２１’の位相差とを加算した位相差である。すなわち、θ＝（ｈ_１１’とｈ_１１の位相差）＋（ｈ_２１とｈ_２１’の位相差）である。

　ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（３）それぞれとの間の経路差Δｄ_３１及びその他の経路差Δｄ_１２，Δｄ_１３，Δｄ_２３，Δｄ_３２についても、同様に求めることができる。

　上記経路差Δｄ_２１，Δｄ_３１，Δｄ_１２，Δｄ_１３，Δｄ_２３，Δｄ_３２を用いて、上記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆsｃにおける伝搬路応答Ｈ_ｆｃは、例えば次式（１８）のＨ_Ｐのように推定できる。

　図１８及び図１９に示すようにＧＷ局７０（１）～７０（３）がそれぞれ複数のパイロット信号を送信する場合、各パイロット信号の波長λ_１、λ_２、λ_３以上の経路差を検知することができる。例えば、ＬＴＥを想定するとフィーダリンクの送信信号帯域ＦＢの帯域幅Ｂは１８ＭＨｚであるので、上記式（１７）に示すようにΔｄ_２１をパイロット周波数差Ｂの波長以内の範囲で推定可能となる。本例では、実装上必要な範囲である０＜Δｄ_２１＜１６［ｍ］の範囲まで精度よく推定することができる。

　また、図１８及び図１９の例では、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される互いに周波数ｆ_１，ｆ_２，ｆ_３，ｆ_１’，ｆ_２’，ｆ_３’が異なる複数のパイロット信号Ｓ_Ｐ１，Ｓ_Ｐ２，Ｓ_Ｐ３及びパイロット信号Ｓ_Ｐ１’，Ｓ_Ｐ２’，Ｓ_Ｐ３’が、第１ガードバンドＧＢ１及び第２ガードバンドＧＢ２に均等に分散されて配置されているので、各パイロット信号をフィルターで分離して容易に個別検出することができる。

　なお、上記伝搬路応答の行列Ｈ_ｆｃ（上記式（１８）のＨ_Ｐ）を用いて、干渉キャンセラーに用いるウェイトは、例えば、伝搬路応答の行列を用いたＺＦ（Zero-Forcing）法又はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法により計算することができる。

　例えば、ＺＦ法では、次式（１９）のように伝搬路応答の行列Ｈ_ｆｃの逆行列でウェイトＷを求めることができる。

　また、ＭＭＳＥ法では、次式（２０）によりウェイトＷを用いることができる。ここで、Ｎ_Ｔは送信アンテナ数であり、γはＳＮＲである。

　干渉キャンセラー部２２０は、上記ウェイトＷを用いることにより、次式（２１）の受信信号Ｙから干渉信号をキャンセルした次式（２２）の復調信号Ｅに変換して出力することができる。干渉キャンセラー部２２０は、式（２２）中のウェイトＷの行列の各要素の値をＷテーブルのデータとして記憶する。

　次に、本実施形態の複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナと複数のゲートウェイ局との間の複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなることによる通信品質劣化の防止について説明する。

　本実施形態の複数ＧＷシステムにおいて、ＨＡＰＳ２０の機体が上空で移動したり回転したりすると、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１のＦＢ比（指向性ビーム２１２の前方利得／後方利得）が低下し、複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなって各フィーダリンクで送受信される信号の分離が難しくなり、通信品質が劣化するおそれがある。

　図２２Ａ及び図２２Ｂはそれぞれ実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける伝搬路応答Ｈの各要素（ｈ_ｉｊ）とＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）２１２（１）～２１２（３）との関係の一例を示す説明図である。図２２Ａに示すように、複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関を低くするためにＧＷ局（ＧＷアンテナ）７０（１）～７０（３）は互いに距離を離して設置されている。図示の例では、ＨＡＰＳ２０が上空で滞在する滞在位置又は滞在予定位置を中心にして互いに１２０°異なる３方向に位置するようにＧＷ局７０（１）～７０（３）が設置されている。ＧＷ局７０（１）～７０（３）の設置位置は固定でもよいし、又は、移動可能であってもよい。

　ＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）ＧＷ局（ＧＷアンテナ）７０（１）～７０（３）との間の伝搬路応答Ｈ及びその要素ｈ_ｉｊはそれぞれ前述の式（４）及び（５）で表すことができる。図２２Ａの配置の場合は、例えばＧＷ局７０（１）からＦＬアンテナ２１１（１）へ信号を送信するフォワードリンク通信における伝搬路応答の要素｜ｈ_１１｜は、フィーダリンク間干渉の要素｜ｈ_２１｜，｜ｈ_３１｜のそれぞれよりも十分に大きい。すなわち、フィーダリンク間の伝搬空間相関は低い。更に、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）のアンテナ面に垂直な方向にＧＷ局（ＧＷアンテナ）７０（１）～７０（３）が１対１で対向しているため、図２２Ｂに示すように、ＦＬアンテナ２１１の指向性ビーム２１２のＦＢ比（主ビーム２１２ｍの利得／サイドローブ２１２ｓの利得）が大きい。従って、フィーダリンク間の干渉が小さく各フィーダリンクで送受信される信号の分離が容易であり、高い通信品質でフィーダリンク（フォワードリンク）の通信を行うことができる。

　図２３Ａ及び図２３Ｂはそれぞれ図２２Ａ及び図２２Ｂの状態からＨＡＰＳ２０が上空で回転したときに各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）２１２（１）～２１２（３）の方向がＧＷ局（ＧＷアンテナ）７０（１）～７０（３）の方向からずれる様子の一例を示す説明図である。ＨＡＰＳ２０が上空で回転すると、そのＨＡＰＳ２０の回転にともに各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）２１２の方向がＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向からずれるため、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）で受信されるフィーダリンク（フォワードリンク）信号の受信レベル（受信電力）が低下する。

　図２４Ａ及び図２４Ｂはそれぞれ図２３Ａ及び図２３Ｂの状態から各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）をＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向を向くようにビームフォーミングを行ったときの指向性ビームの方向及びビームパターンの崩れの様子の一例を示す説明図である。図２４Ａ及び図２４Ｂに示すようにＧＷ局７０（１）～７０（３）を追尾するようにＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）を変化させるビームフォーミングを行うと、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）で受信されるフィーダリンク（フォワードリンク）信号の受信レベル（受信電力）の低下を軽減できる。

　しかし、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビームを変化させるビームフォーミングを行うと、図２４Ｂに示すようにＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビームのビームパターンが崩れ、ＦＬアンテナ２１１の指向性ビーム２１２のＦＢ比（主ビーム２１２ｍの利得／サイドローブ２１２ｓの利得）が低下してしまう。このようにＦＢ比が低下すると、ＦＬアンテナの利得を考慮したフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなる可能性がある。

　ここで、ＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）とＧＷ局（ＧＷアンテナ）７０（１）～７０（３）との間の伝搬路応答Ｈの要素ｈ_ｉｊは前述の式（５）で表すことができる。式中の伝搬路長ｄ_ｉｊは、フォワードリンクの場合においてＧＷ_ｉとＦＬアンテナＡＮ_ｊとの間の距離で定義される。なお、リバースリンクの場合、伝搬路長ｄ_ｉｊはＦＬアンテナＡＮ_ｉとＧＷ_ｊとの間の距離で定義される。見通し通信環境下では、フォワードリンクにおける伝搬路長ｄ_ｉｊとリバースリンクにおける伝搬路長ｄ_ｉｊはほぼ等しい。

　図２５において、伝搬路長ｄ_１１、ｄ_２１及びｄ_３１はそれぞれ、ＧＷ７０（１）、７０（２）及び７０（３）それぞれとＦＬアンテナ２１１（１）との間の距離で定義される。伝搬路応答Ｈの要素ｈ_１１、ｈ_２１及びｈ_３１は、図２５中のｄ_１１、ｄ_２１及びｄ_３１を用いて、次式（２３）で表される。

　前述のようにＨＡＰＳ２０の機体が上空で移動したり回転したりすることによりＦＬアンテナ２１１（１）のＦＢ比が低下すると、伝搬路応答Ｈの要素の大きさ｜ｈ_１１｜、｜ｈ_２１｜、｜ｈ_３１｜が実質的にほぼ等しくなる。もし伝搬路長ｄ_１１、ｄ_２１及びｄ_３１が互いに等しいならば（経路差Δｄ_１２＝ｄ_２１－ｄ_１１及びΔｄ_１３＝ｄ_３１－ｄ_１１がそれぞれゼロならば）、伝搬路応答Ｈの要素ｈ_１１、ｈ_２１、ｈ_３１はほぼ等しくなる。すなわち、ＦＬアンテナ２１１のＦＢ比が低下すると、ＦＬアンテナ２１１と各ＧＷ局７０との距離（伝搬路長）ｄ_ｉｊの経路差Δｄ_ｊｉが瞬時的に小さくなり、ＦＬアンテナの利得を考慮したフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなる可能性がある。そのため、上空での移動や回転で変化するＨＡＰＳ２０の位置によっては各フィーダリンクで送受信される信号の分離が難しくなり、通信品質が劣化するおそれがある。

　図２６は、ＦＬアンテナ２１１と各ＧＷ局７０との伝搬路長の差（経路差Δｄ_ｊｉ）に影響を与える要因を示す説明図である。経路差Δｄ_ｊｉに影響を与える要因としては、例えば次の４つの要因Ａ～Ｄがある。
　Ａ：ＧＷ局７０の位置（例えば、図２６中のＧＷ局７０（１）～７０（３）が設置されている仮想設置円の半径Ｒｇ）
　Ｂ：ＨＡＰＳ２０の機体の位置（例えば、図２６中のＨＡＰＳ２０の周回移動している飛行ルート円の半径Ｒｈ）
　Ｃ：ＨＡＰＳ２０の機体の姿勢（例えば、図２６中のＨＡＰＳ２０の傾き角度（回転角度）φ）
　Ｄ：ＨＡＰＳ２０におけるＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係（例えば、図２６中におけるＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の設置半径ｒ）

　上記要因Ａ～Ｄのうち、要因Ａ：ＧＷ局７０の位置、要因Ｂ：ＨＡＰＳ２０の機体の位置及び要因Ｃ：ＨＡＰＳ２０の機体の姿勢はいずれも瞬間的な制御が難しい。

　そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０の移動や回転によるフィーダリンクの通信品質の劣化を防止するために、複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得し、その相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいてＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させるように制御している。

　図２７Ａ及び図２７Ｂは実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを３次元的に移動させてフィーダリンクの経路長ｄ_ｉｊを変更するアンテナ移動式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２７Ａにおいて、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）はそれぞれ、アーム２１６（１）～２１６（３）を介して円柱状又は円筒状の構造体である支持部材２１７に支持されている。ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）それぞれが連結されたアーム２１６（１）～２１６（３）は、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０に位置する中心軸２１７ａに対して長手方向に伸縮するように駆動制御することができる。このアーム２１６の駆動制御により、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０とＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）それぞれとの間の複数の配置距離の少なくとも一つの配置距離を変化させることができる。

　また、アーム２１６（１）～２１６（３）は、支持部材２１７の中心軸２１７ａを中心として回動するように駆動制御することができる。このアーム２１６（１）～２１６（３）の駆動制御により、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０を基準にした仮想基準方向（径方向）Ｄ１～Ｄ３に対するＦＬアンテナの複数の配置角度の少なくとも一つの配置角度を変化させることができる。

　また、アーム２１６（１）～２１６（３）は、支持部材２１７の中心軸２１７ａに沿って図中Ｚ軸方向に上下動させるように駆動制御してもよい。このアーム２１６（１）～２１６（３）の駆動制御により、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の少なくとも一つの上下方向（Ｚ軸方向）の位置を変化させることができる。

　図２７Ｂの例では、ＦＬアンテナ２１１（１）が連結されたアーム２１６（１）を図中時計方向に回動させることにより、仮想基準点Ｐ０に対するＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）の配置位置を維持しつつＦＬアンテナ２１１（１）の配置位置のみを変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更することができる。

　図２８Ａ及び図２８Ｂは実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＦＬアンテナを選択してフィーダリンクの経路長ｄ_ｉｊを変更するアンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の構成例を示す説明図である。図２８Ａにおいて、３つのＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及び３つの予備のＦＬアンテナ２１１’の合計６つのＦＬアンテナが、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０に位置する中心軸２１７ａを中心とした仮想円（外周面）上の互いに異なる位置に互い違いに配置されるように円柱状又は円筒状の構造体である支持部材２１７に支持されている。ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の少なくとも一つは配置位置が異なる予備のＦＬアンテナ２１１’と入れ替えるように切替制御することができる。このＦＬアンテナ２１１の切替制御により、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０を中心とした仮想円上におけるＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させることができる。

　図２８Ｂの例では、図２８Ａで真上に位置していたＦＬアンテナ２１１（１）を図中右隣の予備のＦＬアンテナ２１１と入れ替えることにより、仮想基準点Ｐ０を中心とした仮想円上でＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）の配置位置を維持しつつＦＬアンテナ２１１（１）の配置位置のみを変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更することができる。

　図２９は、図２８Ａ及び図２８ＢのＦＬアンテナ２１１（１）の切替前後のアンテナ主面に垂直な方向とＧＷ局７０（１）の方向との角度の変化（θ’－＞θ）を示す説明図である。図２９に示すように、図２８Ａ及び図２８Ｂのアンテナ駆動・切替部の構成例では、ＦＬアンテナ２１１（１）の切替後にアンテナ主面に垂直な方向とＧＷ局７０（１）の方向との角度θ’がθへと大きくなるが、ＨＡＰＳ２０の機体への搭載スペースが狭くて済む。

　図３０は、アンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の他の構成例を示す説明図である。図３０において、３つのＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及び３つの予備のＦＬアンテナ２１１’の合計６つのＦＬアンテナが、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０に位置する中心軸２１７ａを中心とした半径が互いに異なる複数の同心円状の仮想円である円周面状の支持面２１７ｂ，２１７ｃ上の互いに異なる位置に配置されるように構造体である支持部材２１７に支持されている。内側のＦＬアンテナ２１１の組及び外側のＦＬアンテナ２１１の組はＧＷ局７０に向かう指向性ビームが干渉しないようにｚ軸方向（図中の紙面に垂直な方向）配置されている。

　図３０において、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の少なくとも一つは配置位置が異なる予備のＦＬアンテナ２１１’と入れ替えるように切替制御することができる。このＦＬアンテナ２１１の切替制御により、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０を中心とした仮想円上におけるＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させることができる。

　例えば、図３０の構成例では、内側の支持面２１７ｂ上に位置していたＦＬアンテナ２１１（１）を外側の支持面２１７ｃ上に位置する予備のＦＬアンテナ２１１と入れ替えることにより、仮想基準点Ｐ０を中心とした他のＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）の配置位置を維持しつつＦＬアンテナ２１１（１）の配置位置のみを径方向外側に変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更することができる。図３０の構成例では、ＨＡＰＳ２０の機体への搭載スペースが広くなるが、ＦＬアンテナ２１１（１）の切替後にアンテナ主面に垂直な方向とＧＷ局７０（１）の方向との角度の変化（θ’－＞θ）が小さい。

　図３１は、アンテナ選択式のアンテナ駆動・切替部の更に他の構成例を示す説明図である。図３１において、３つのＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及び３つの予備のＦＬアンテナ２１１’の合計６つのＦＬアンテナが、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０を通る中心軸（図中のｚ軸）を有する円柱状又は円筒状の構造体である支持部材２１７の外周面に配置されている。ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及び２１１’は、支持部材２１７の外周面における軸方向及び周方向の少なく一方の方向における位置が互いに異なる。図３１の構成例では、支持部材２１７の外周面における周方向の位置が１２０°ずれた３つのＦＬアンテナの組を、支持部材２１７の中心軸（図中のｚ軸）に平行な上下方向における互いに異なる位置に２組備えている。

　図３１において、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の少なくとも一つは配置位置が異なる予備のＦＬアンテナ２１１’と入れ替えるように切替制御することができる。このＦＬアンテナ２１１の切替制御により、ＨＡＰＳ２０の仮想基準点Ｐ０を通る中心軸を中心とした外周面上におけるＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させることができる。

　例えば、図３１の構成例では、下側１段目に位置していたＦＬアンテナ２１１（１）を上方の２段目に位置する予備のＦＬアンテナ２１１と入れ替えることにより、支持部材２１７の外周面における他のＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）の配置位置を維持しつつＦＬアンテナ２１１（１）の配置位置のみを上方に変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更することができる。図３１の構成例では、ＨＡＰＳ２０の機体への搭載スペースが広くなるが、ＦＬアンテナ２１１（１）の切替後にアンテナ主面に垂直な方向とＧＷ局７０（１）の方向との角度の変化（θ’－＞θ）が小さい。また、ＦＬアンテナ２１１（１）の切替によって鉛直方向の位置が変化するため、水平面における位置が変化する場合に比して経路長ｄ_ｉｊの変動量を大きくすることができる。

　上記各構成例のアンテナ駆動・切替部において、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させる制御は、例えば、複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて行うことができる。

　前記相関指標値は、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）によって複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）から受信された複数の信号のＳＩＮＲ［ｄＢ］であってもよい。ＳＩＮＲ［ｄＢ］の情報は例えば中継通信局２１で取得することができる。

　図３２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのＨＡＰＳ２０の回転時におけるＦＬアンテナ２１１（１）で受信した受信信号のＳＩＮＲ［ｄＢ］の変化の一例を示すグラフである。図３２の横軸はＨＡＰＳ２０の回転角度φ［°］である。図３２において、例えば、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で受信した受信信号のＳＩＮＲ［ｄＢ］が所定の閾値Ｔｈ１（図示の例では２５［ｄＢ］）よりも小さくなったときに、前述のアンテナ駆動・切替部におおける複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更する制御を実行してもよい。

　また、前記相関指標値は、例えば、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて推定したＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との間の伝搬路応答Ｈにおける複数の特異値又は固有値であってもよい。特異値は、例えば、フィーダリンクの伝搬路応答Ｈを特異値分解（ＳＶＤ）して得られる次式（２４）の行列Ｄの対角成分（λ_１）^１／２、（λ_２）^１／２、（λ_３）^１／２である。特異値の自乗が固有値であり、フィーダリンクの伝搬路の直交分割されたストリーム（固有モード）の利得に対応する。式（２４）におけるＵは受信のウェイト行列であり、Ｖは送信のウェイト行列である。

　図３３は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのＨＡＰＳ２０の回転時におけるフィーダリンクの伝搬路応答Ｈの特異値の変化の一例を示すグラフである。図３３の横軸はＨＡＰＳ２０の回転角度φ［°］である。図３３において、例えば、３つの特異値（λ_１）^１／２、（λ_２）^１／２、（λ_３）^１／２のいずれか一つが所定の閾値Ｔｈ２（図示の例では１．５）よりも小さくなったときに、前述のアンテナ駆動・切替部におおける複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させて経路長ｄ_ｉｊを変更する制御を実行してもよい。

　なお、前記相関指標値は、上記３つの特異値のいずれか２つの値の比又は差であってもよいし、３つの固有値のいずれか２つの値の比又は差であってもよい。

　また、前記相関指標値は、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）が複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向にビームフォーミングしたときの複数の指向性ビームのＦＢ比（指向性ビームの前方利得／後方利得）であってもよい。

　図３４は、本実施形態に係るＨＡＰＳ２０の中継通信局２１の主要構成の一例を示す説明図である。図３４において、中継通信局２１は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２と周波数変換部２２３と各部を制御する制御部２２４と干渉抑圧部２２５を備える。

　フィーダリンク通信部２２１は、ＧＷ局７０の数（ＦＬアンテナ２１１の数）に対応する複数の受信機を備え、ＦＬアンテナ２１１を介してＧＷ局７０との間でフィーダリンク用の第１周波数Ｆ１の無線信号を送受信する。

　フィーダリンク通信部２２１の複数の受信機は、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれから送信された複数のパイロット信号を受信し、複数のパイロット信号が重複したパイロット信号群をフィルターで分離する。また、各受信機は、上記フィルターで分離された複数のパイロット信号を、フィーダリンクの伝搬路を伝搬してきたパイロット信号ｈ_ｋｉの受信結果として干渉抑圧部２２５に出力する。

　サービスリンク通信部２２２は、サービスリンク用アンテナ１１５を介して端末装置６１との間でサービスリンク用の第２周波数Ｆ２の無線信号を送受信する。周波数変換部２２３は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２との間で第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との周波数変換を行う。中継通信局２１で中継される無線信号は、例えば、ＬＴＥ又はＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠したＯＦＭＤＡ通信方式を用いて送受信してもよい。この場合は、無線信号の遅延が異なるマルチパスが発生しても良好な通信品質を維持できる。

　制御部２２４は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより各部を制御することができる。特に、本実施形態では、制御部２２４は、前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の間の相互位置関係を変化させる手段としても機能する。例えば、ＨＡＰＳ本体側のアンテナ駆動・切替部２５と連携して前述のアンテナ駆動・切替の制御を行う。

　干渉抑圧部２２５は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、フィーダリンク通信部２２１から出力された複数のパイロット信号の受信結果（ｈ_ｋｉ）に基づいて、前述の伝搬路応答の推定、ウェイトの計算及び干渉キャンセル信号処理を行う。

　フィーダリンク通信部２２１、干渉抑圧部２２５又はその両方は、前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得する手段としても機能する。

　なお、移動通信網の通信オペレータの遠隔制御装置（制御元）からの制御情報を受信したり遠隔制御装置に情報を送信したりする場合は、制御部２２４に接続されたユーザ端末（移動局）２２６を備えてもよい。制御部２２４は、例えば、遠隔制御装置から送信されてきた制御情報をユーザ端末（移動局）２２６で受信し、その制御情報に基づいて各部を制御してもよい。ここで、遠隔制御装置とユーザ端末（移動局）２２６との間の通信は、例えば遠隔制御装置及びユーザ端末（移動局）２２６それぞれに割り当てられたＩＰアドレス（又は電話番号）を用いて行ってもよい。

　以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との間の同一周波数のマルチフィーダリンクにおける複数のフィーダリンク間の干渉を動的に抑圧することができる。

　特に本実施形態によれば、ＨＡＰＳ２０に組み込まれた複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との間の複数のフィーダリンク間の伝搬空間相関が瞬時的に高くなることによる通信品質の劣化を防止することができる。

　また、本実施形態によれば、マルチフィーダリンクにおける干渉の動的な抑圧に必要となるＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との経路差を実装上必要な範囲まで推定して把握することができるので、マルチフィーダリンクにおける干渉を精度よく抑圧することができる。

　なお、上記実施形態では、ＨＡＰＳ２０のフィーダリンクのフォワードリンクに適用した場合について説明したが、本発明は、フィーダリンクのリバースリンクにも適用することでリバースリンクにおけるＳＩＮＲの低下を抑制しつつ、フィーダリンクの周波数利用効率の向上を図ることができる。

　なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び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、ゲートウェイ局、基地局、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）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、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）において前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、前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前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）、フラッシュメモリ、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、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であればよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。

　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。

　２０　ＨＡＰＳ（通信中継装置）
　２１　中継通信局
　２５　アンテナ駆動・切替部
　６１　端末装置
　７０，７０（１）～７０（３）　ゲートウェイ局（ＧＷ局）
　７１，７１（１）～７１（３）　フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
　２００Ｃ，２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）　３次元セル
　２００Ｆ，２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）　フットプリント
　２１１、２１１（１）～２１１（３）　フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
　２１１’　予備のフィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
　２１２、２１２（１）～２１２（３）　アンテナ指向性ビーム
　２１５　サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
　２１６、２１６（１）～２１６（３）　アーム
　２１７　支持部材
　２１７ａ　中心軸
　２１７ｂ，２１７ｃ　支持面
　２２０　干渉キャンセラー部
　２２１　フィーダリンク通信部
　２２２　サービスリンク通信部
　２２３　周波数変換部
　２２４　制御部
　２２５　干渉抑圧部

Claims

　端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置であって、
　互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するフィーダリンク通信部と、
　前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部と、
　前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得する手段と、
　前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させる手段と、を備えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１の通信中継装置において、
　前記通信中継装置の仮想基準点と前記複数のフィーダリンク用アンテナとの間の複数の配置距離の少なくとも一つの配置距離を変化させることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１又は２の通信中継装置において、
　前記通信中継装置の仮想基準点を基準にした仮想基準方向に対する前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の複数の配置角度の少なくとも一つの配置角度を変化させることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
　前記通信中継装置の仮想基準点を中心とした仮想円上の互いに異なる位置に、前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、
　前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
　前記通信中継装置の仮想基準点を中心とした半径が互いに異なる複数の仮想円上に前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、
　前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至５のいずれかの通信中継装置において、
　前記通信中継装置の仮想基準点を通る中心軸を有する円柱状又は角柱状の支持部材の外周面における軸方向及び周方向の少なく一方の方向における位置が互いに異なるように前記複数のフィーダリンク用アンテナと一又複数の予備のフィーダリンク用アンテナとを備え、
　前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つを前記予備のフィーダリンク用アンテナに切り替えることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至６のいずれかの通信中継装置において、
　前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナによって前記複数のゲートウェイ局から受信された複数の信号のＳＩＮＲであることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至６のいずれかの通信中継装置において、
　前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて推定した前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答における複数の固有値であることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至６のいずれかの通信中継装置において、
　前記相関指標値は、前記複数のフィーダリンク用アンテナが前記複数のゲートウェイ局の方向にビームフォーミングしたときの複数の指向性ビームのＦＢ比（指向性ビームの前方利得／後方利得）であることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至９のいずれかの通信中継装置において、
　前記相関指標値は、前記複数のゲートウェイ局から前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおける伝搬空間相関の程度を示し、
　前記複数のフォワードリンクの通信を行っているときに前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至１０のいずれかの通信中継装置において、
　前記相関指標値は、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおける伝搬空間相関の程度を示し、
　前記複数のリバースリンクの通信を行っているときに前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させることを特徴とする通信中継装置。
　請求項１乃至１１のいずれかの通信中継装置と、互いに時間同期され前記空中滞在型の通信中継装置の前記中継通信局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局と、を備えることを特徴とするシステム。
　空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局と、同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間におけるフィーダリンクの干渉抑圧方法であって、
　互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信することと、
　前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧することと、
　前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得することと、
　前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させることと、を含むことを特徴とする干渉抑圧方法。
　端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置に設けられたコンピュータ又はプロセッサで実行されるプログラムであって、
　互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するためのプログラムコードと、
　前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのプログラムコードと、
　前記複数のフィーダリンクの伝搬空間相関の程度を示す相関指標値を取得するためのプログラムコードと、
　前記相関指標値と所定の閾値との比較結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナの間の相互位置関係を変化させるためのプログラムコードと、を含むことを特徴とするプログラム。