WO2022137445A1

WO2022137445A1 - 送受信装置、無線通信システム及び無線通信方法

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Publication number: WO2022137445A1
Application number: PCT/JP2020/048491
Authority: WO
Inventors: 大介五藤; 喜代彦糸川; 康義小島; 一光坂元
Original assignee: 日本電信電話株式会社
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2022-06-30
Also published as: US20240048206A1; JPWO2022137445A1

Abstract

通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置との間で通信を行う複数のアンテナと、１以上の第１の通信装置から送信された既知の参照信号に基づいて１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行うチャネル推定部と、チャネル推定により得られた推定値を用いて、複数のアンテナを制御して、１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成するアンテナ制御部と、備え、複数のアンテナは、アンテナ制御部の制御に応じて１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する送受信装置。

Description

送受信装置、無線通信システム及び無線通信方法

　本発明は、送受信装置、無線通信システム及び無線通信方法に関する。

　静止軌道上のデータ中継衛星と、低軌道周回衛星との衛星間通信において、ビームフォーミング技術を用いて追尾する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

中西孝行, et al. "ディジタルビームフォーミング技術を用いた衛星搭載マルチビームフェイズドアレーアンテナの干渉抑圧に関する検討", 電子情報通信学会技術研究報告. SANE, 宇宙・航行エレクトロニクス 111.90 (2011): 11-16.

　上記のようなビームフォーミング技術を用いてサービスを向上させることが望まれている。このような問題は、衛星間通信においてビームフォーミングを行う場合に限らず、ビームフォーミング技術を用いて地上に位置する通信装置間で通信を行う場合においても生じる。

　上記事情に鑑み、本発明は、ビームフォーミング技術を用いてサービスを向上させることができる技術の提供を目的としている。

　本発明の一態様は、通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムにおける前記送受信装置であって、前記１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置との間で通信を行う複数のアンテナと、前記１以上の第１の通信装置から送信された既知の参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行うチャネル推定部と、前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、前記複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成するアンテナ制御部と、備え、前記複数のアンテナは、前記アンテナ制御部の制御に応じて前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する送受信装置である。

　本発明の一態様は、通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムであって、前記１以上の第１の通信装置は、前記送受信装置と通信可能タイミングで、前記送受信装置に対して少なくとも識別情報を含む参照信号を送信し、前記送受信装置は、通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置との間で通信を行う複数のアンテナと、前記１以上の第１の通信装置から送信された前記参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行うチャネル推定部と、前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、前記複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成するアンテナ制御部と、備え、前記複数のアンテナは、前記アンテナ制御部の制御に応じて前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する送無線通信システムである。

　本発明の一態様は、通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムにおける無線通信方法であって、通信エリア形成時の基準となる１以上の通信装置から送信された既知の参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行い、前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成し、前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する無線通信方法である。

　本発明により、ビームフォーミング技術を用いてサービスを向上させることが可能となる。

本発明における無線通信システムの概要を説明するための図である。第１の実施形態による無線通信システムの構成図である。第１の実施形態における無線通信システムのビームフォーミング制御処理の流れを示すシーケンス図である。第２の実施形態による無線通信システムの構成図である。第２の実施形態における無線通信システムのビームフォーミング制御処理の流れを示すシーケンス図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
（概要）
　図１は、本発明における無線通信システムの概要を説明するための図である。本発明における無線通信システムでは、図１に示すように、少なくとも移動中継局２と、１以上の端末局３と、１以上の参照局５とを有する。図１では、一例として、参照局５が、３台備えられている場合を示している。参照局５の近傍には、端末局３が位置しているものとする。参照局５－１～５－３は、移動中継局２と通信可能になると、移動中継局２に対して既知の参照信号を送信する。参照信号は、移動中継局２との間でパターンが予め定められた既知の信号であり、少なくとも参照局５の識別情報が含まれる。

　移動中継局２は、参照局５－１～５－３それぞれから送信された参照信号を各アンテナで受信する。移動中継局２は、受信した参照信号に基づいて参照局５毎にチャネル推定を行う。移動中継局２は、チャネル推定により得られた推定値を用いて、各参照局５間で干渉が低減されるようにビームを形成する。その結果、移動中継局２は、図１に示すように、各参照局５－１～５－３の位置する方向に指向性を有するビームを形成し、結果として各参照局５－１～５－３を基準として所定の大きさの通信エリア２－１～２－３を形成する。これにより、通信エリア２－１～２－３に位置する端末局３は、移動中継局２と通信可能になる。そして、各端末局３は、移動中継局２との間で通信を行う。
　以上のように、本発明では、参照局５を基準として端末局３のための通信エリアを形成する。以下、具体的な構成について説明する。

（第１の実施形態）
　図２は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、１以上の端末局３と、基地局４と、１以上の参照局５とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３、基地局４及び参照局５それぞれの数は任意である。端末局３の数は、多数であることが想定される。

　移動中継局２は、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信された各データを無線信号により受信する。本発明における移動中継局２では、複数の端末局３それぞれからデータを受信するための通信可能なエリアを、参照局５を基準として形成する。移動中継局２は、受信した各データを基地局４へ無線により送信する。以下、移動中継局２から端末局３及び基地局４に送信される信号をダウンリンク信号という。

　端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２へ無線により送信する。例えば、端末局３は、移動中継局２から送信タイミングが指示されている場合には、指示された送信タイミングで、収集したデータを移動中継局２へ無線により送信する。端末局３は、例えば、ＩｏＴ（Internet of Things）端末である。端末局３の近傍には、参照局５が位置しているものとする。端末局３は、第２の通信装置の一態様である。
　基地局４は、移動中継局２から端末局３が収集したデータを受信する。

　参照局５は、通信エリア形成時の基準となる装置である。例えば、参照局５は、端末局３が配置されている場所の近傍に配置される。参照局５は、移動中継局２と通信可能なタイミングになると、少なくとも参照局５の識別情報を含む参照信号を生成し、生成した参照信号を移動中継局２に送信する。移動中継局２と通信可能なタイミングは、例えば移動中継局２から送信されるダウンリンク信号を受信したタイミングであってもよいし、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報を保持している場合には軌道情報に基づいてＬＥＯが参照局５の近傍に位置しているタイミングであってもよい。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能な情報である。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。参照局５は、第１の通信装置の一態様である。
　端末局３、基地局４及び参照局５は、地上や海上等の地球上の特定の位置に設置される。以下、端末局３及び参照局５それぞれから移動中継局２に対して送信される信号を端末アップリンク信号という。

　移動中継局として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局を用いることが考えられる。しかし、静止衛星に搭載された中継局の場合、地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末に対するリンクバジェットは非常に小さい。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、リンクバジェットは高いものの、カバーエリアが狭い。

　さらには、ドローンにはバッテリーが、ＨＡＰＳには太陽光パネルが必要である。本実施形態では、ＬＥＯ衛星に移動中継局２を搭載する。よって、リンクバジェットは限界内に収まることに加え、ＬＥＯ衛星は、大気圏外を周回するために空気抵抗がなく、燃料消費も少ない。また、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合と比較して、フットプリントも大きい。

　ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２は、地上に設置された参照局５の方向に指向性を有するビームを形成している。この際、移動中継局２は、ビームの中心周波数が参照局５の位置に向くようにビームを形成する。そのため、参照局５にビームを向けることができ、安定したビームフォーミング制御が可能になる。すなわち、ＬＥＯ衛星が常時移動している場合であっても、所望の方向に干渉なくビームを向けることができる。
　さらに、参照局５に向けてビームを形成しているため、参照局５を基準として所定の大きさの通信エリアを形成することができる。これにより、通信エリア内に位置する端末局３は、移動中継局２との通信が可能になる。

　各装置の構成を説明する。
　移動中継局２は、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、制御部２３と、基地局通信部２４と、複数本のアンテナ２５と、参照局情報記憶部２６とを備える。Ｎ本のアンテナ２１をそれぞれ、アンテナ２１－１～２１－Ｎと記載する。

　端末通信部２２は、Ｎ個の送受信部２２１と、Ｎ個の端末信号復調部２２２とを有する。Ｎ個の送受信部２２１を、送受信部２２１－１～２２１－Ｎと記載する。Ｎ個の端末信号復調部２２２を、端末信号復調部２２２－１～２２２－Ｎと記載する。

　送受信部２２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、アンテナ２１－ｎにより端末アップリンク信号を受信する。このように、送受信部２２１－ｎは、アンテナ２１－ｎにより１以上の端末局３及び参照局５との間で通信を行う。

　端末信号復調部２２２－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、送受信部２２１－ｎが受信した端末アップリンク信号を復調し、復調結果を制御部２３又は基地局通信部２４に出力する。例えば、端末信号復調部２２２－ｎは、センサにより収集されたデータが復調結果に含まれる場合には、復調結果を基地局通信部２４に出力する。例えば、端末信号復調部２２２－ｎは、参照信号を表す既知のパターンが復調結果に含まれる場合には、復調結果を制御部２３に出力する。

　端末信号復調部２２２－ｎが行う復調には、例えば、送受信部２２１－ｎによって受信されたＲＦ（Radio Frequency）信号をベースバンド信号に変換する周波数変換、端末局３及び参照局５から送信されるアップリンク信号を検出するためのフレーム検出が含まれる。さらに、例えば端末信号復調部２２２－ｎでデジタル処理を行う場合には、端末信号復調部２２２－ｎはアナログデジタル変換を行う。

　制御部２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部２３は、プログラムを実行することによって、通信制御部２３１、チャネル推定部２３２、行列生成部２３３及びアンテナ制御部２３４の機能を実現する。これらの機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。これらの機能の一部は、予め移動中継局２に搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが移動中継局２にインストールされることで実現されてもよい。

　通信制御部２３１は、ダウンリンク信号の送信を制御する。例えば、通信制御部２３１は、予め定められたタイミングに、ダウンリンク信号を送信するように端末通信部２２を制御する。予め定められたタイミングは、常時であってもよいし、移動中継局２が、所定の位置に移動したタイミングであってもよいし、所定の時刻になったタイミングであってもよいし、参照局５が位置している場所に移動したタイミングであってもよい。

　チャネル推定部２３２は、参照局５から送信された既知の参照信号に基づいて参照局５毎にチャネル推定を行う。
　行列生成部２３３は、チャネル推定により得られた推定値を用いて重み行列を推定値毎に生成する。行列生成部２３３による重み行列の生成には、ＺＦ（Zero Forcing）法、ＭＭＳＥ(Minimum Mean-Square-Error)法等が用いられる。なお、重み行列の生成は、上記に限定されず重み行列を生成できれば他の手法が用いられてもよい。重み行列の生成にＺＦ法を用いる場合、チャネル推定行列の逆行列を重み行列とすればよい。

　アンテナ制御部２３４は、各重み行列を用いて、複数のアンテナ２１－Ｎを制御して、各参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。例えば、アンテナ制御部２３４は、参照局５－１から送信された参照信号により得られた推定値から生成された重み行列を用いて、複数のアンテナ２１のうち一部のアンテナ２１を制御して、参照局５－２の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。アンテナ制御部２３４が参照局５の位置する方向に送信するビームは、シングルビームでもよいし、マルチビームであってもよい。アンテナ制御部２３４は、ビームの形成にデジタルビームフォーミング制御を用いる。

　複数のアンテナ２１は、アンテナ制御部２３４の制御に応じて、参照局５を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成する。複数のアンテナ２１は、アンテナ制御部２３４の制御に応じて、参照局５を含む所定の範囲に形成された通信エリアに位置する端末局３から送信された信号を受信する受信ビームを形成する。以下の説明では、複数のアンテナ２１が、受信ビームを形成する場合を例に説明する。

　基地局通信部２４は、任意の無線通信方式のダウンリンク信号により受信波形情報を基地局４へ送信する。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、送受信部２４４とを備える。
　記憶部２４１は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。

　制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングにおいて、受信波形情報を基地局４に送信するように送信データ変調部２４３及び送受信部２４４を制御する。
　送信データ変調部２４３は、端末通信部２２から出力された受信波形情報を送信データとして読み出し、読み出した送信データを変調して基地局ダウンリンク信号を生成する。
　送受信部２４４は、基地局ダウンリンク信号を電気信号から無線信号に変換し、アンテナ２５から送信する。

　参照局情報記憶部２６には、参照局５に関する情報が記憶されている。例えば、参照局情報記憶部２６には、参照局５に関する情報として、参照局５の識別情報及び位置情報が記憶されている。参照局情報記憶部２６は、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。

　端末局３は、データ記憶部３１と、送受信部３２と、通信制御部３３と、アンテナ３４とを備える。なお、端末局３は、複数のアンテナ３４を備えてもよい。
　データ記憶部３１には、センサデータが記憶される。

　送受信部３２は、移動中継局２との間で通信を行う。例えば、送受信部３２は、通信制御部３３の指示に応じてデータ記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送受信部３２は、読み出した端末送信データを設定した端末アップリンク信号をアンテナ３４から無線により送信する。

　送受信部３２は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）により信号を送受信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。送受信部３２は、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）などにより送受信を行ってもよい。送受信部３２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ３４から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

　通信制御部３３は、移動中継局２から指示される送信タイミングで、データ記憶部３１に記憶されているセンサデータを送受信部３２に送信させる。

　基地局４は、アンテナ４１と、送受信部４２と、基地局信号受信処理部４３と、端末信号受信処理部４４とを備える。送受信部４２は、アンテナ４１により受信した端末ダウンリンク信号を、電気信号に変換する。基地局信号受信処理部４３は、送受信部４２が電気信号に変換した受信信号の復調及び復号を行い、受信波形情報を得る。基地局信号受信処理部４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

　端末信号受信処理部４４は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４４は、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４は、端末信号復調部４４１と、端末信号復号部４４２とを備える。

　端末信号復調部４４１は、波形データを復調し、復調により得られたシンボルを端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復調部４４１は、波形データが示す信号に対して、移動中継局２のアンテナ２１が受信した端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を行ってから、復調を行ってもよい。アンテナ２１が受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２が搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１が復調したシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

　参照局５は、データ記憶部５１と、送受信部５２と、通信制御部５３と、アンテナ５４とを備える。なお、参照局５は、複数のアンテナ５４を備えてもよい。
　データ記憶部５１には、参照局５の識別情報が記憶される。

　送受信部５２は、移動中継局２との間で通信を行う。例えば、送受信部５２は、通信制御部５３からの指示に応じて、データ記憶部３１から参照局５の識別情報を読み出す。送受信部５２は、読み出した識別情報を含む参照信号を端末アップリンク信号としてアンテナ５４から無線により送信する。

　送受信部５２は、例えば、ＬＰＷＡにより信号を送受信する。送受信部５２は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数本のアンテナ５４から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

　通信制御部５３は、移動中継局２と通信可能タイミングで、参照信号を送受信部５２に送信させる。

　無線通信システム１の動作を説明する。
　図３は、第１の実施形態における無線通信システム１のビームフォーミング制御処理の流れを示すシーケンス図である。図３の説明では、無線通信システム１に参照局５が２台（参照局５－１及び参照局５－２）備えられている場合を例に説明する。２台の参照局５－１及び参照局５－２の機能部を区別するため、それぞれの機能部に枝番“－１”又は“－２”を付すものとする。以下の説明では、図３の処理は、参照局５の近くに移動中継局２が位置しているタイミングで実行されるものとして説明する。

　移動中継局２の通信制御部２３１は、移動中継局２が参照局５の近くに位置しているタイミングで、端末通信部２２を制御してダウンリンク信号を送信させる。ここで、移動中継局２が参照局５の近くに位置しているか否かは、参照局情報記憶部２６と、移動中継局２の軌道情報とに基づいて判定される。参照局情報記憶部２６には、各参照局５の位置情報が記憶されている。そのため、通信制御部２３１は、移動中継局２の軌道情報に基づく移動中継局２の位置と、各参照局５の位置とを把握できる。通信制御部２３１は、移動中継局２の位置が、少なくとも１つの参照局５との所定の範囲内に位置してことを契機に端末通信部２２を制御してダウンリンク信号を送信させる。

　端末通信部２２は、通信制御部２３１の制御に従って、ダウンリンク信号を送信する（ステップＳ１０１）。すなわち、移動中継局２は、送受信部２２１－１～２２１－Ｎを介して、ダウンリンク信号を送受信部２２１－１～２２１－Ｎの通信範囲内に送信する。ここで移動中継局２が送信するダウンリンク信号は、参照局５に送信を許可することを示す情報が含まれる。送受信部２２１－１～２２１－Ｎの通信範囲内に参照局５が位置している場合、参照局５はダウンリンク信号を受信する。ここでは、参照局５－１及び５－２が、送受信部２２１－１～２２１－Ｎのいずれかの通信範囲内に位置しているものとする。参照局５－１及び５－２は、移動中継局２から送信されたダウンリンク信号を受信する。

　送受信部５２－１は、移動中継局２から送信されたダウンリンク信号を受信すると、通信制御部５３－１の制御に従って、データ記憶部５１－１に記憶されている参照局５－１の識別情報を含む既知の参照信号を端末アップリンク信号としてアンテナ５５－１から無線により送信する（ステップＳ１０２）。

　送受信部５２－２は、移動中継局２から送信されたダウンリンク信号を受信すると、通信制御部５３－２の制御に従って、データ記憶部５１－２に記憶されている参照局５－２の識別情報を含む既知の参照信号を端末アップリンク信号としてアンテナ５５－２から無線により送信する（ステップＳ１０３）。

　送受信部２２１－１～２２１－Ｎはそれぞれ、各参照局５から送信された端末アップリンク信号を受信する。端末信号復調部２２２－１～２２２－Ｎは、送受信部２２１－１～２２１－Ｎが受信した端末アップリンク信号を復調し、復調結果を制御部２３に出力する。チャネル推定部２３２は、復調された参照信号を用いて、移動中継局２と各参照局５との間のチャネル推定を行う（ステップＳ１０４）。チャネル推定部２３２は、移動中継局２と各参照局５との間のチャネル推定により得られた推定値を行列生成部２３３に出力する。

　行列生成部２３３は、チャネル推定部２３２から出力された推定値を用いて重み行列を参照局５毎に生成する（ステップＳ１０５）。行列生成部２３３は、生成した重み行列の情報をアンテナ制御部２３４に出力する。アンテナ制御部２３４は、各重み行列を用いて、複数のアンテナ２１－Ｎを制御して、参照局５－１及び５－２それぞれの位置する方向に指向性を有するビーム（例えば、受信ビーム）を形成する（ステップＳ１０６）。より具体的には、アンテナ制御部２３４は、複数のアンテナ２１－Ｎのうち一部のアンテナ２１－１～２１－ｎ－１を用いて、参照局５－１の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。さらに、アンテナ制御部２３４は、複数のアンテナ２１－Ｎのうち残りのアンテナ２１－ｎ～２１－Ｎを用いて、参照局５－２の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。

　上記の処理により、参照局５－１の近傍に参照局５－１を基準とした通信可能エリアが形成され、参照局５－２の近傍に参照局５－２を基準とした通信可能エリアが形成される。その後、移動中継局２は、通信可能エリア内に位置している端末局３からの送信を受け付ける（ステップＳ１０７）。参照局５－１の近傍に位置し、通信可能エリア内に位置している端末局３の通信制御部３３は、移動中継局２から指示される送信タイミングで、データ記憶部３１に記憶されているセンサデータを送受信部３２に送信させる。送受信部３２は、通信制御部３３の制御に従って、センサデータを送信する。参照局５－２の近傍に位置し、通信可能エリア内に位置している端末局３の通信制御部３３は、移動中継局２から指示される送信タイミングで、データ記憶部３１に記憶されているセンサデータを送受信部３２に送信させる。送受信部３２は、通信制御部３３の制御に従って、センサデータを送信する。

　以上のように構成された無線通信システム１によれば、移動中継局２が、参照局５から送信される信号に基づいて参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。具体的には、移動中継局２は、参照局５から送信された信号に基づいてチャネル推定を行い、チャネル推定結果により得られる重み行列を用いて、参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成している。これにより、安定したビームフォーミング制御ができる。その結果、参照局５の周囲に通信可能なエリアを形成することができ、通信可能なエリア内に位置している端末局３との通信が可能になる。そのため、ビームフォーミング技術を用いてサービスを向上させることが可能になる。

（第２の実施形態）
　第２の実施形態では、移動中継局２が参照局５にビームを向けるタイミングを時間毎に切り替える構成について説明する。
　第２の実施形態において基本的なシステム構成は、第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態との相違点をメインに説明する。

　図４は、第２の実施形態による無線通信システム１ａの構成図である。無線通信システム１ａは、移動中継局２ａと、１以上の端末局３と、基地局４と、１以上の参照局５とを有する。無線通信システム１ａが有する移動中継局２ａ、端末局３、基地局４及び参照局５それぞれの数は任意である。
　移動中継局２ａは、Ｎ本のアンテナ２１と、端末通信部２２と、制御部２３ａと、基地局通信部２４と、複数本のアンテナ２５と、参照局情報記憶部２６ａとを備える。

　制御部２３ａは、ＣＰＵ等のプロセッサやメモリを用いて構成される。制御部２３ａは、プログラムを実行することによって、通信制御部２３１、チャネル推定部２３２、行列生成部２３３、アンテナ制御部２３４ａ及びタイムスケジュール作成部２３５の機能を実現する。これらの機能部のうち一部または全部は、ＡＳＩＣやＰＬＤ、ＦＰＧＡなどのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。これらの機能の一部は、予め移動中継局２ａに搭載されている必要はなく、追加のアプリケーションプログラムが移動中継局２ａにインストールされることで実現されてもよい。

　制御部２３ａは、アンテナ制御部２３４に代えてアンテナ制御部２３４ａを備える点、タイムスケジュール作成部２３５を新たに備える点で制御部２３と構成が異なる。制御部２３ａは、他の構成については制御部２３と同様である。そのため、制御部２３ａ全体の説明は省略し、アンテナ制御部２３４ａ及びタイムスケジュール作成部２３５について説明する。

　タイムスケジュール作成部２３５は、移動中継局２の軌道情報と参照局５の位置情報とに基づいて、参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成するタイミングを示すタイムスケジュールを作成する。

　アンテナ制御部２３４ａは、タイムスケジュール作成部２３５により作成されたタイムスケジュールに従って、該当する参照局５の推定値より得られる重み行列を用いて、複数のアンテナ２１－Ｎを制御して、各参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。すなわち、アンテナ制御部２３４ａは、参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成するタイミングを時間で切り替える。

　参照局情報記憶部２６ａには、参照局５に関する情報が記憶されている。例えば、参照局情報記憶部２６ａには、参照局５に関する情報として、参照局５の識別情報、位置情報及びチャネル推定値が記憶されている。参照局情報記憶部２６ａは、磁気記憶装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。

　無線通信システム１ａの動作を説明する。
　図５は、第２の実施形態における無線通信システム１ａのビームフォーミング制御処理の流れを示すシーケンス図である。図５の説明では、無線通信システム１ａに参照局５が２台（参照局５－１及び参照局５－２）備えられている場合を例に説明する。なお、図５において、図３と同様の処理については図３と同様の符号を付して説明を省略する。

　ステップＳ１０１からステップＳ１０３までの処理が実行されると、送受信部２２１－１～２２１－Ｎはそれぞれ、各参照局５から送信された端末アップリンク信号を受信する。端末信号復調部２２２－１～２２２－Ｎは、送受信部２２１－１～２２１－Ｎが受信した端末アップリンク信号を復調し、復調結果を制御部２３に出力する。チャネル推定部２３２は、復調された参照信号を用いて、移動中継局２ａと各参照局５との間のチャネル推定を行う（ステップＳ２０１）。チャネル推定部２３２は、チャネル推定により得られた推定値を参照局情報記憶部２６ａに記憶させる。

　タイムスケジュール作成部２３５は、移動中継局２の軌道情報と参照局５の位置情報とに基づいてタイムスケジュールを作成する（ステップＳ２０２）。例えば、タイムスケジュール作成部２３５は、移動中継局２の軌道情報により得られる移動中継局２の現時点の位置に近い参照局５へのビームフォーミング制御が早くなるようにタイムスケジュールを作成してもよいし、時間毎にランダムに参照局５を割り当てることによってタイムスケジュールを作成してもよい。なお、タイムスケジュールの作成にあたり、同じ参照局５が連続して割り当てられていてもよいし、各参照局５が順番に割り当てられていてもよい。

　ここで一例を挙げて説明する。図５に示すように、参照局５－１及び５－２が、移動中継局２ａと通信可能な位置に位置している場合、タイムスケジュール作成部２３５は数秒（例えば、１秒）毎に参照局５－１と参照局５－２とが交互に入れ替わるタイムスケジュールを作成する。タイムスケジュール作成部２３５は、作成したタイムスケジュールをアンテナ制御部２３４ａに出力する。

　アンテナ制御部２３４ａは、タイムスケジュール作成部２３５によって作成されたタイムスケジュールに従って、対象となる参照局５の位置する方向に指向性を有するビームを形成する（ステップＳ２０３）。上記の例の場合、まずアンテナ制御部２３４ａは、参照局５－１の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。具体的には、アンテナ制御部２３４ａは、行列生成部２３３に対して、参照局５－１の推定値を用いて重み行列を生成させる。

　行列生成部２３３は、アンテナ制御部２３４ａの指示に従って、参照局情報記憶部２６ａから参照局５－１に対応する推定値を取得し、取得した推定値を用いて重み行列を生成する。行列生成部２３３は、生成した重み行列の情報をアンテナ制御部２３４ａに出力する。アンテナ制御部２３４ａは、行列生成部２３３から出力された重み行列を用いて、複数のアンテナ２１－Ｎを制御して、参照局５－１の位置する方向に指向性を有するビーム（例えば、受信ビーム）を形成する。

　参照局５－１の位置する方向に指向性を有するビームを形成からタイムスケジュールで定められた時間が経過した場合、次にアンテナ制御部２３４ａは、参照局５－２の位置する方向に指向性を有するビームを形成する。具体的には、アンテナ制御部２３４ａは、行列生成部２３３に対して、参照局５－２の推定値を用いて重み行列を生成させる。

　行列生成部２３３は、アンテナ制御部２３４ａの指示に従って、参照局情報記憶部２６ａから参照局５－２に対応する推定値を取得し、取得した推定値を用いて重み行列を生成する。行列生成部２３３は、生成した重み行列の情報をアンテナ制御部２３４ａに出力する。アンテナ制御部２３４ａは、行列生成部２３３から出力された重み行列を用いて、複数のアンテナ２１－Ｎを制御して、参照局５－２の位置する方向に指向性を有するビーム（例えば、受信ビーム）を形成する。

　移動中継局２ａは、以上のようなビームフォーミング制御の切り替えを、タイムスケジュールに従って実行する。なお、上記の例では、参照局５－１と参照局５－２とを交互に切り替える例で説明したが、３台以上ある場合には同じ時間帯で２台の参照局５に向けたビームが形成されてもよい。すなわち、同じ時間帯に複数の参照局５に向けたビームが形成されるようにタイムスケジュールが作成されてもよい。

　以上のように構成された無線通信システム１ａによれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　さらに、無線通信システム１ａでは、タイムスケジュールにより参照局５に向けたビームが形成されるタイミングが切り替えられる。これにより、同時にビームを形成できる数に限りがあっても、時間に応じて他の参照局５に向けたビームを形成することができる。したがって、第１の実施形態よりも参照局５の設置台数に制限が無い。そのため、参照局５の設置の自由度が増し、利便性を向上させることが可能になる。

　以下、第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例について説明する。
　移動中継局２，２ａは、常時移動しているため移動中継局２，２ａと参照局５との位置関係が変化することが想定される。そこで、チャネル推定部２３２は、適宜チャネル推定を行うように構成されてもよい。このように構成される場合、チャネル推定部２３２は、前回のチャネル推定を行ってから、定められた時間経過したタイミングで通信制御部２３１にダウンリンク信号の送信を指示する。通信制御部２３１は、チャネル推定部２３２からの指示に応じて、端末通信部２２を制御してダウンリンク信号を送信する。その後、移動中継局２，２ａは、ステップＳ１０４以降の処理を実行する。

　上記の各実施形態では、参照局５の位置が固定されている場合について説明した。そのため、移動中継局２，２ａが、参照局５の位置を予め記憶しておくことで参照局５の位置を把握することができる。参照局５は、設置位置は移動可能な構成であってもよい。このように構成される場合、移動中継局２は、参照局５から位置情報を取得する度に、参照局情報記憶部２６に記憶されている位置情報を更新する。参照局５は、参照局５の識別情報に加えて位置情報を含む参照信号を移動中継局２，２ａに送信する。参照局５の位置情報は、移動後の場所でユーザによって参照局５に登録されていてもよいし、参照局５がＧＰＳ（Global Positioning System）等の位置情報取得手段により位置情報を取得してもよい。
　以上の構成により、参照局５の位置が移動する場合であっても、本発明における技術を適用することが可能になる。

　上記の各実施形態では、参照局５は、移動中継局２から送信されたダウンリンク信号を受信したことを契機に、参照信号を端末アップリンク信号として送信している。これに対して、参照局５があらかじめ移動中継局２の軌道情報を保持している場合には、参照局５が移動中継局２の通信可能な時間を判断して、参照信号を端末アップリンク信号として送信するように構成されてもよい。このように構成される場合、参照局５は、移動中継局２の軌道情報を参照することで、どの時間帯に移動中継局２がどの位置にいるのかを把握することができる。そこで、参照局５は、軌道情報を参照して、移動中継局２が参照局５の近く（例えば、参照局５の上空）に位置する時間帯に、参照信号を端末アップリンク信号として送信する。

　上記の各実施形態において、アンテナ制御部２３４，２３４ａは、複数のアンテナ２１の一部のアンテナを制御して、複数の参照局５のうち特定の参照局５に対して干渉を抑圧するためにヌルビームを形成するように構成されてもよい。ここで、特定の参照局５とは、指向性を有するビームの形成対象ではない参照局５である。例えば、図１において移動中継局２が、参照局５－１及び５－２に対して指向性を有するビームの形成する場合、参照局５－３が特定の参照局５となる。この場合、アンテナ制御部２３４，２３４ａは、複数のアンテナ２１の一部のアンテナを制御して、参照局５－１及び５－２それぞれの位置する方向に対しては指向性を有するビームの形成し、参照局５－３の位置する方向に対してはヌルビームを形成する。これにより、参照局５－３の位置する方向からの雑音を抑圧することができる。

　移動中継局２、２ａは、軌道情報と、参照局の位置情報とに基づいて通信可能エリアを形成する場所を選択するように構成されてもよい。移動中継局２、２ａは、上空を移動しているため、数多くの参照局５と通信が可能になることが想定される。そのため、あと少し移動しただけで通信できなくなるような参照局５との間でも移動中継局２の位置によっては通信が可能である。あと少し移動しただけで通信できなくなるような参照局５に指向性を有するビームを形成することで、移動中継局２の位置的に本来通信可能なエリアを形成すべき場所に通信可能なエリアを形成できない場合もある。そこで、アンテナ制御部２３４，２３４ａは、移動中継局２、２ａの位置と参照局５の位置関係に基づいて、参照局５の中から、移動中継局２の位置的に本来通信可能なエリアを形成すべき場所に位置する参照局５を選択する。本来通信可能なエリアを形成すべき場所に位置する参照局５とは、移動中継局２、２ａの位置と参照局５の位置との近さが閾値未満となる参照局５である。そして、アンテナ制御部２３４，２３４ａは、選択した参照局５に指向性を有するビームを形成する。これにより、参照局５の設置台数が多い場合であっても、適切な参照局５を選択することができる。

　第１の実施形態と第２の実施形態とは、組み合わされてもよい。このように構成される場合、移動中継局２のアンテナ制御部２３４は、切替条件が満たされた場合に、現時点で実行しているビームフォーミング制御処理から他のビームフォーミング制御処理に変更する。切替条件は、外部からの指示であってもよいし、時間帯で設定されていてもよいし、移動中継局２の位置に応じて設定されていてもよい。
　このように構成されることによって、切り替えが必要なタイミングで自由に切り替えることができる。例えば、参照局５の設置台数が少なくて時間で切り変える必要がない地域と、参照局５の設置台数が多くて頻繁に切り替える必要がある地域とで設定を変えることで、その場所に応じたビームフォーミング制御処理を実行することができる。

　移動中継局２，２ａが備えるアンテナ２１、端末通信部２２、制御部２３，２３ａ及び参照局情報記憶部２６は、移動する送受信装置として構成されてもよい。この送受信装置は、単体の装置として構成されてもよいし、上記の実施形態のように、移動中継局２，２ａとして構成されてもよい。

　なお、上記実施形態において、移動中継局が搭載される移動体は、ＬＥＯ衛星である場合を説明したが、静止衛星、ドローンやＨＡＰＳなど上空を飛行する他の飛行体であってもよい。

　上述した実施形態における移動中継局２，２ａが行う一部又は全ての処理（ビームフォーミング制御処理、タイムスケジュール作成処理）をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

　さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

　以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

　本発明は、移動中継局が搭載される移動体と通信を行う技術に適用できる。

１、１ａ…無線通信システム，
２、２ａ…移動中継局，
３…端末局，
４…基地局，
５…参照局，
２１－１～２１－Ｎ…アンテナ，
２２…端末通信部，
２３…制御部，
２４…基地局通信部，
２５…アンテナ，
３１…データ記憶部，
３２…送受信部，
３３…通信制御部，
３４…アンテナ，
４１…アンテナ，
４２…送受信部，
４３…基地局信号受信処理部，
４４…端末信号受信処理部，
５１…データ記憶部，
５２…送受信部，
５３…通信制御部，
５４…アンテナ，
２２１－１～２２１－Ｎ…送受信部，
２２２－１～２２２－Ｎ…端末信号復調部，
２３１…通信制御部，
２３２…チャネル推定部，
２３３…行列生成部，
２３４…アンテナ制御部，
２３５…タイムスケジュール作成部，
２４１…記憶部，
２４２…制御部，
２４３…送信データ変調部，
２４４…送受信部，
２５…アンテナ，
２６…参照局情報記憶部，
４４１…端末信号復調部，
４４２…端末信号復号部

Claims

　通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムにおける前記送受信装置であって、
　前記１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置との間で通信を行う複数のアンテナと、
　前記１以上の第１の通信装置から送信された既知の参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行うチャネル推定部と、
　前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、前記複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成するアンテナ制御部と、
　備え、
　前記複数のアンテナは、前記アンテナ制御部の制御に応じて前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する送受信装置。
　前記第１の通信装置が複数の場合、
　前記アンテナ制御部は、前記複数のアンテナのうち一部のアンテナを用いて、１つの第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成し、前記複数のアンテナのうち残りのアンテナを用いて、他の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成する、請求項１に記載の送受信装置。
　前記第１の通信装置が複数の場合、
　前記第１の通信装置それぞれの位置する方向に指向性を有するビームを形成するタイミングを示すスケジュールを作成するタイムスケジュール作成部をさらに備え、
　前記タイムスケジュール作成部は、前記送受信装置の移動経路に基づいて前記スケジュールを作成する、請求項１又は２に記載の送受信装置。
　前記アンテナ制御部は、前記送受信装置の移動経路と、前記第１の通信装置の位置情報とに応じて、ビームを形成する前記第１の通信装置を選択する、請求項１から３のいずれか一項に記載の送受信装置。
　前記アンテナ制御部は、前記複数のアンテナの一部のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置のうち特定の第１の通信装置に対してヌルビームを形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の送受信装置。
　通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムであって、
　前記１以上の第１の通信装置は、
　前記送受信装置と通信可能タイミングで、前記送受信装置に対して少なくとも識別情報を含む参照信号を送信し、
　前記送受信装置は、
　通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置との間で通信を行う複数のアンテナと、
　前記１以上の第１の通信装置から送信された前記参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行うチャネル推定部と、
　前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、前記複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成するアンテナ制御部と、
　備え、
　前記複数のアンテナは、前記アンテナ制御部の制御に応じて前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する送無線通信システム。
　通信エリア形成時の基準となる１以上の第１の通信装置と、前記１以上の第１の通信装置の近傍に位置する第２の通信装置と、移動する送受信装置とを有する無線通信システムにおける無線通信方法であって、
　通信エリア形成時の基準となる１以上の通信装置から送信された既知の参照信号に基づいて前記１以上の第１の通信装置毎にチャネル推定を行い、
　前記チャネル推定により得られた推定値を用いて、複数のアンテナを制御して、前記１以上の第１の通信装置の位置する方向に指向性を有するビームを形成し、
　前記１以上の第１の通信装置を含む所定の範囲に形成された通信エリアに送信ビームを形成、又は、前記通信エリアに位置する前記第２の通信装置から送信された信号を受信する受信ビームを形成する無線通信方法。