WO2023139641A1 - 通信システムおよび通信方法 - Google Patents

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WO2023139641A1
WO2023139641A1 PCT/JP2022/001575 JP2022001575W WO2023139641A1 WO 2023139641 A1 WO2023139641 A1 WO 2023139641A1 JP 2022001575 W JP2022001575 W JP 2022001575W WO 2023139641 A1 WO2023139641 A1 WO 2023139641A1
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WO
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transmission
data
communication
unit
channel capacity
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/001575
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English (en)
French (fr)
Inventor
康義 小島
大介 五藤
喜代彦 糸川
一光 坂元
知哉 景山
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a communication system and communication method.
  • IoT Internet of Things
  • base stations such as buoys and ships on the sea, and mountainous areas.
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • Non-Patent Document 1 for example.
  • the channel capacity related to wireless communication between the ground communication device and the relay device changes as the relay device moves. Therefore, depending on the data transmission timing, there is a possibility that the amount of information is small relative to the channel capacity, and communication resources cannot be used effectively. On the other hand, depending on the transmission timing, there is a possibility that the data received by the relay device will be missing because the amount of information is large relative to the channel capacity.
  • a first aspect of the present invention is a communication system comprising a relay device that performs communication while moving and a communication device that transmits data to the relay device, the communication system comprising: a capacity estimation unit that estimates a channel capacity related to wireless communication between the communication device and the relay device;
  • a second aspect of the present invention is a communication method between a relay device that performs communication while moving and a communication device that transmits data to the relay device, comprising: estimating a channel capacity related to wireless communication between the communication device and the relay device; determining a transmission method of the data from the communication device to the relay device to a method in which the larger the channel capacity, the lower the transmission efficiency and the higher the transmission quality; and transmitting the data from a device to the relay device.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless communication system according to an embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a flow diagram showing processing of the mobile relay station according to the embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart showing processing of a terminal station according to the embodiment
  • FIG. 4 is a flow diagram showing processing of a base station according to the embodiment
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a wireless communication system 1 according to an embodiment.
  • a radio communication system 1 has a mobile relay station 2 , a terminal station 3 and a base station 4 .
  • the number of mobile relay stations 2, terminal stations 3, and base stations 4 included in the radio communication system 1 is arbitrary, but it is assumed that the number of terminal stations 3 is large.
  • the mobile relay station 2 is an example of a relay device that communicates while moving.
  • the mobile relay station 2 is provided, for example, in a LEO (Low Earth Orbit) satellite.
  • the altitude of the LEO satellite is 2000 km or less, and it orbits the earth in about 1.5 hours.
  • the terminal station 3 and the base station 4 are installed on the earth, such as on the ground or on the sea.
  • the terminal station 3 is, for example, an IoT terminal.
  • the terminal station 3 collects data such as environmental data detected by the sensor, and transmits the collected data to the mobile relay station 2 by radio. In the figure, only two terminal stations 3 are shown.
  • the mobile relay station 2 receives data transmitted from each of the plurality of terminal stations 3 by radio signals while moving over the earth, and transmits the received data to the base station 4 by radio.
  • the base station 4 receives data collected by the terminal station 3 from the mobile relay station 2 .
  • the mobile relay station 2 it is conceivable to use a relay station mounted on an unmanned aircraft such as a geostationary satellite, drone, or HAPS (High Altitude Platform Station).
  • a relay station mounted on a geostationary satellite although the coverage area (footprint) on the ground is wide, the link budget to the IoT terminal installed on the ground is very small due to the high altitude.
  • the link budget is high, the coverage area is narrow. Additionally, drones need batteries and HAPS need solar panels.
  • the mobile repeater station 2 is mounted on the LEO satellite.
  • the LEO satellites have no air resistance due to their orbiting in outer space and consume less fuel.
  • the footprint is also large compared to the case where the relay station is mounted on a drone or HAPS.
  • the mobile relay station 2 since the mobile relay station 2 mounted on the LEO communicates while moving at high speed, a Doppler shift occurs in the radio signal. Also, relay stations installed in LEO have a smaller link budget than relay stations installed in drones or HAPS. Therefore, the mobile relay station 2 receives radio signals from the terminal station 3 using multiple antennas and transmits the radio signals to the base station 4 using multiple antennas. Communication quality can be improved by the diversity effect and beamforming effect of communication using multiple antennas. In this embodiment, an example will be described in which the mobile relay station 2 relays radio signals received from the terminal station 3 via multiple antennas to the base station 4 by MIMO (Multiple Input Multiple Output). Note that the method of relaying to the base station 4 may be other than MIMO.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • the mobile relay station 2 includes multiple first antennas 21 , a terminal communication unit 22 , a base station communication unit 24 , and multiple second antennas 25 .
  • Terminal communication section 22 has storage section 221 , reception schedule determination section 222 , capacity determination section 223 , method determination section 224 , transmission section 225 , reception section 226 , synthesis section 227 , and spectrum conversion section 228 .
  • the storage unit 221 stores the position data of the terminal station 3 and the orbital data of the LEO satellites.
  • the position data of the terminal station 3 is represented by latitude and longitude, for example.
  • the LEO orbit data is data from which the position, speed, moving direction, etc. of the LEO satellite at any given time can be obtained.
  • the storage unit 221 has a storage area for storing spectrum data of terminal uplink signals received from the terminal station 3 .
  • the reception schedule determination unit 222 identifies the timing of receiving a signal from each terminal station 3 based on the position data and trajectory data of the terminal station 3 stored in the storage unit 221 .
  • the capacity identification unit 223 identifies the channel capacity in communication with the terminal station 3 at the reception timing determined by the reception schedule determination unit 222. For example, the capacity specifying unit 223 can obtain the channel capacity from the error rate in the signal received from the terminal station 3. Further, for example, the capacity specifying unit 223 may receive a control signal including the channel capacity value from the terminal station 3 .
  • the method determining unit 224 determines a transmission method for data transmission by the terminal station 3 based on the channel capacity specified by the capacity specifying unit 223 .
  • the scheme determining unit 224 determines a scheme with lower transmission efficiency and higher transmission quality as the channel capacity is larger, and determines a scheme with lower transmission quality and higher transmission efficiency as the channel capacity is smaller.
  • the system determining unit 224 adopts a transmission system with a larger multilevel number as the channel capacity is smaller. The larger the multilevel number, the larger the amount of information per symbol, and the higher the transmission efficiency. On the other hand, the smaller the multilevel number, the lower the symbol error rate and the higher the transmission quality.
  • the scheme determining section 224 increases the number of bits of the error correction code as the channel capacity decreases.
  • the shorter the error correction code the greater the amount of information in the payload for the data frame, and the higher the transmission efficiency.
  • the longer the error correction code the larger the number of bits that can be corrected, and the higher the transmission quality.
  • an error detection code may be added instead of the error correction code.
  • scheme determining section 224 reduces the number of bits of the error detection code as the channel capacity increases. The shorter the error detection code, the greater the amount of information in the payload for the data frame, and the higher the transmission efficiency. Also, the scheme determining section 224 increases the transmission power of the signal as the channel capacity decreases. The higher the transmission power, the higher the transmission quality.
  • the method determining unit 224 may determine not to communicate with the terminal station 3 at the reception timing determined by the reception schedule determining unit 222 when the channel capacity specified by the capacity specifying unit 223 is smaller than a predetermined threshold. In other words, the scheme determining unit 224 may determine to transmit data on subsequent occasions when the channel capacity is large. In another embodiment, the method determining unit 224 may determine the transmission method not for each terminal station 3 but for each area obtained by dividing the ground into a plurality of meshes.
  • the transmission unit 225 transmits, as a terminal downlink signal, via the plurality of first antennas 21, notification information indicating the transmission method determined for each terminal station 3 by the method determination unit 224. That is, the notification information includes data that associates the ID of the terminal station 3 with the determined transmission method.
  • the notification information does not necessarily include the transmission schemes of all the terminal stations 3. For example, the transmission schemes of the terminal stations 3 that include the reception timing determined by the reception schedule determination unit 222 within a certain period starting from the time of transmitting the notification information may be included.
  • the broadcast information may include orbital data of the LEO satellites.
  • the receiver 226 receives signals via the plurality of first antennas 21 .
  • the synthesizing unit 227 synthesizes the plurality of signals received by the receiving unit 226 via the plurality of first antennas 21 according to a predetermined synthesis parameter.
  • the synthesis parameters are represented, for example, by the phase and amplitude offsets of each first antenna 21 . Note that the synthesis parameter may be obtained based on the signal reception timing and the positional relationship between the mobile relay station 2 and the communication partner terminal station 3 at the reception timing, or may be a constant value.
  • the combiner 227 reproduces the terminal uplink signal by combining the signals.
  • the spectrum conversion section 228 converts the signal synthesized by the synthesis section 227 into a frequency spectrum.
  • a spectrum transform unit 228 obtains the frequency spectrum of the received signal by, for example, FFT (Fast Fourier Transform).
  • Spectrum conversion section 228 records spectrum data representing the generated frequency spectrum in storage section 221 .
  • Spectral data is represented by a combination of frequency and power at that frequency.
  • the base station communication unit 24 transmits spectrum data representing the waveform of the terminal uplink signal received by the terminal communication unit 22 to the base station 4 by MIMO.
  • Base station communication section 24 includes storage section 241 , transmission schedule determination section 242 , control section 243 , MIMO communication section 244 , data generation section 245 and transmission data modulation section 246 .
  • the storage unit 241 stores the communication time zone with the base station 4 previously obtained from the position of the base station 4 and the orbit of the LEO satellite.
  • the storage unit 241 also stores in advance the weight of the base station downlink signal transmitted from each second antenna 25 for each transmission time in the communication time zone.
  • the transmission time may be represented, for example, by elapsed time from the transmission start timing.
  • the weight for each transmission time is calculated based on the LEO satellite orbit data and the position of each antenna station 41 .
  • the transmission schedule determination unit 242 determines the transmission time period for each spectrum data based on the number of spectrum data stored in the storage unit 221 and the communication time period.
  • the transmission schedule determination unit 242 for example, divides the length of the communication time slot by the number of spectrum data to determine the transmission time of each piece of spectrum data, and divides the communication time slot by the transmission time to determine the transmission time slot of each piece of spectrum data.
  • the control unit 243 instructs the MIMO communication unit 244 on the weight for each transmission time read from the storage unit 241 .
  • the MIMO communication unit 244 establishes MIMO communication with the base station 4 using a predetermined protocol.
  • the data generation unit 245 converts the spectrum data stored in the storage unit 221 into parallel signals and modulates them.
  • the modulated parallel signals are weighted by weights instructed by the control unit 243 and transmitted from the second antennas 25 as base station downlink signals.
  • the terminal station 3 includes a data storage unit 31, a reception unit 32, a condition determination unit 33, a transmission unit 34, and one or more antennas 35.
  • the terminal station 3 is an example of a communication device that transmits data to the relay device.
  • the data storage unit 31 stores sensor data and LEO satellite orbit data.
  • the receiving unit 32 receives terminal downlink signals from the mobile relay station 2 via a plurality of antennas 35 and reads broadcast information.
  • the condition determination unit 33 reads the transmission method associated with the ID of the own station from the notification information read by the reception unit 32, and determines the transmission method of the transmission unit 34. Also, the condition determination unit 33 determines the transmission time period of the terminal uplink signal based on the orbital data of the LEO satellite. That is, the condition determination unit 33 determines the time period during which the terminal station 3 is within the coverage of the first antenna 21 of the mobile relay station 2 as the transmission time period of the terminal uplink signal. If the notification information read by the receiving unit 32 stores information indicating that communication is not performed instead of the transmission method, the condition determining unit 33 determines not to transmit the terminal uplink signal.
  • the transmission unit 34 wirelessly transmits from the antenna 35 a terminal uplink signal in which sensor data stored in the data storage unit 31 is set as terminal transmission data according to the transmission time period and transmission method determined by the condition determination unit 33 .
  • the transmission unit 34 transmits a signal with the multilevel number, error correction code, and transmission power stored in the broadcast information from the mobile relay station 2 .
  • the transmission unit 34 transmits signals by, for example, LPWA (Low Power Wide Area).
  • LPWA includes LoRaWAN (registered trademark), Sigfox (registered trademark), LTE-M (Long Term Evolution for Machines), NB (Narrow Band)-IoT, etc., but any wireless communication scheme can be used.
  • the transmission unit 34 may perform transmission with other terminal stations 3 by time division multiplexing, OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), MIMO, or the like.
  • the transmitting unit 34 determines the channel and transmission timing used by the own station to transmit the terminal uplink signal by a method predetermined for the wireless communication system to be used. Further, the transmission unit 34 may beam-form signals transmitted from the plurality of antennas 35 by a method predetermined for the wireless communication system used.
  • the base station 4 includes a plurality of antenna stations 41, a MIMO receiver 42, a base station signal reception processor 43, and a terminal signal reception processor 44.
  • the antenna station 41 is placed at a position distant from the other antenna stations 41 so that the difference in the arrival angles of the signals from the plurality of second antennas 25 of the mobile relay station 2 is large.
  • Each antenna station 41 converts the base station downlink signal received from the mobile relay station 2 into an electric signal and outputs the electric signal to the MIMO reception unit 42 .
  • the MIMO reception unit 42 aggregates base station downlink signals received from multiple antenna stations 41 .
  • the MIMO receiver 42 stores the weight for each reception time for the base station downlink signal received by each antenna station 41 based on the LEO satellite orbit data and the position of each antenna station 41 .
  • the reception time may be represented by the elapsed time from the reception start timing.
  • the MIMO receiver 42 multiplies the base station downlink signal input from each antenna station 41 by a weight corresponding to the reception time of the base station downlink signal, and synthesizes the received signals multiplied by the weight. Note that the same weight may be used regardless of the reception time.
  • the base station signal reception processor 43 demodulates and decodes the combined reception signal to obtain demodulation information.
  • the base station signal reception processing unit 43 outputs demodulation information to the terminal signal reception processing unit 44 .
  • the terminal signal reception processing unit 44 performs reception processing of terminal uplink signals.
  • the terminal signal reception processing unit 44 decodes the symbols of the terminal uplink signal from the spectrum data indicated by the demodulation information, and obtains terminal transmission data transmitted from the terminal station 3 . That is, the terminal signal reception processing unit 44 decodes the symbols of the terminal uplink signal by transforming the frequency domain waveform indicated by the spectrum data into a time domain waveform.
  • FIG. 2 is a flowchart showing processing of the mobile relay station 2 according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing processing of the terminal station 3 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing processing of the base station 4 according to the embodiment.
  • the reception schedule determination unit 222 of the mobile relay station 2 determines the terminal station 3 to receive the terminal uplink signal for each time based on the position data and trajectory data of the terminal station 3 stored in the storage unit 221 (step S121).
  • the capacity identification unit 223 identifies the channel capacity in communication at the reception timing determined in step S121 for each terminal station 3 (step S122).
  • the method determination unit 224 determines the data transmission method for each terminal station 3 based on the channel capacity specified in step S122 (step S123). That is, the scheme determining section 224 determines the number of bits of the multilevel number and the error correction code so that the transmission efficiency decreases and the transmission quality increases as the channel capacity increases. Further, the scheme determining unit 224 determines the transmission power such that the terminal station adopting the transmission scheme with the lower transmission quality has the higher transmission power (step S124).
  • the transmitting unit 225 transmits, as a terminal downlink signal, broadcast information indicating the transmission method determined for each terminal station 3 by the method determining unit 224 via the plurality of first antennas 21 (step S125).
  • the terminal station 3 acquires data detected by a sensor (not shown) provided outside or inside as shown in FIG. 1, and writes the acquired data to the data storage unit 31 (step S101).
  • the receiver 32 of the terminal station 3 receives the terminal downlink signal transmitted from the mobile relay station 2 in step S125 (step S102).
  • the condition determination unit 33 reads the transmission method associated with the ID of the own station from the notification information included in the terminal downlink signal received in step S101, and determines the transmission method of the transmission unit 34 (step S103). Also, the condition determination unit 33 determines the transmission time period of the terminal uplink signal based on the orbit data of the LEO satellite (step S104).
  • the transmission unit 34 of the terminal station determines whether or not the current time is included in the uplink signal transmission time period determined by the condition determination unit 33 (step S105). When the transmission unit 34 determines that the current time is not included in the transmission time period of the uplink signal (step S105: NO), the terminal station 3 returns the process to step S101.
  • step S105 determines that the current time is included in the transmission time period of the uplink signal (step S105: YES)
  • the sensor data is read from the data storage unit 31, the read sensor data is used as the terminal transmission data, and set to the terminal uplink signal of the transmission method determined in step S103.
  • the transmitting unit 34 wirelessly transmits the terminal uplink signal in which the terminal transmission data is set from the antenna 35 (step S106).
  • the terminal station 3 returns the process to step S105. As a result, the terminal station 3 continues transmitting the uplink signal during the transmission time period.
  • the plurality of receivers 226 of the mobile relay station 2 receive terminal uplink signals transmitted from the terminal station 3 (step S126).
  • the terminal uplink signal is received only from one terminal station 3 in time division with respect to the same frequency, and terminal uplink signals are received simultaneously from a plurality of terminal stations 3 on the same frequency.
  • the combining unit 227 combines the terminal uplink signals received by the plurality of receiving units 226 according to the combining parameters set in step S122 (step S127).
  • the spectrum conversion unit 228 converts the signal synthesized by the synthesis unit 227 into spectral data, and records the data in the storage unit 221 (step 128).
  • the transmission schedule determination unit 242 refers to the storage unit 241 and determines whether or not the current time is included in the communication time zone with the base station 4 (step S129). If the current time is not included in the communication time zone with the base station 4 (step S129: NO), the process returns to step S121. On the other hand, if the current time is included in the communication time period with the base station 4 (step S129: YES), the transmission schedule determination unit 242 determines the transmission time for each spectrum data based on the number of spectrum data items stored in the storage unit 221 and the length of the communication time period with the base station 4 (step S130).
  • the data generation unit 245 parallel-converts the spectrum data stored in the storage unit 221, and the transmission data modulation unit 246 modulates the parallel-converted spectrum data.
  • the MIMO communication unit 244 weights the transmission data modulated by the transmission data modulation unit 246 with the weights instructed by the control unit 243 to generate base station downlink signals to be transmitted from the second antennas 25 .
  • the MIMO communication unit 244 transmits each generated base station downlink signal from the second antenna 25 by MIMO (step S131). After transmitting all the spectrum data stored in storage unit 221, mobile relay station 2 returns the process to step S121.
  • each antenna station 41 of the base station 4 receives the base station downlink signal from the mobile relay station 2 (step S141).
  • Each antenna station 41 outputs a received signal obtained by converting a received base station downlink signal into an electrical signal to the MIMO receiving section 42 .
  • the MIMO receiver 42 synchronizes the timing of the received signal received from each antenna station 41 .
  • the MIMO reception unit 42 combines the received signals received by each antenna station 41 based on the weight.
  • the base station signal reception processor 43 demodulates the combined reception signal (step S142).
  • the base station signal reception processing unit 43 outputs waveform data obtained by decoding the demodulated reception signal to the terminal signal reception processing unit 44 .
  • the terminal signal decoding unit 441 of the terminal signal reception processing unit 44 decodes the symbol of the terminal uplink signal indicated by the waveform data to obtain the terminal transmission data transmitted from the terminal station 3 (step S143). Note that the terminal signal decoding unit 441 can also use a decoding scheme with a large computational load, such as SIC (Successive Interference Cancellation).
  • SIC Successessive Interference Cancellation
  • the mobile relay station 2 changes the target band for waveform data sampling based on the channel capacity related to communication with the terminal station 3 . Specifically, the mobile relay station 2 generates waveform data so that the target band becomes wider as the channel capacity increases. As a result, the mobile relay station 2 can effectively utilize communication resources while preventing loss of received data. In other words, the radio communication system 1 can transmit wideband information when the channel capacity is large.
  • the mobile relay station 2 determines the method of transmitting data from the terminal station 3 to the mobile relay station 2 to a method in which the greater the channel capacity, the lower the transmission efficiency and the higher the transmission quality. Thereby, the mobile relay station 2 can effectively utilize communication resources in communication between the terminal station 3 and the mobile relay station 2 .
  • the mobile relay station 2 has a processor, a memory, an auxiliary storage device, etc. connected by a bus, and functions as a device having a terminal communication section 22 and a base station communication section 24 by executing a relay program.
  • processors include CPUs (Central Processing Units), GPUs (Graphic Processing Units), microprocessors, and the like.
  • the relay program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • a computer-readable recording medium is, for example, a storage device such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, an optical disk, or a semiconductor memory.
  • the relay program may be transmitted via telecommunication lines.
  • All or part of each function of the mobile relay station 2 may be implemented using a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a PLD (Programmable Logic Device).
  • LSI Large Scale Integrated Circuit
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • PLD Programmable Logic Device
  • Examples of PLD include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • PAL Programmable Array Logic
  • GAL Generic Array Logic
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the mobile relay station 2 may be composed of a single computer, or the configuration of the mobile relay station 2 may be divided into a plurality of computers, and the plurality of computers may cooperate with each other to function as the mobile relay station 2.
  • the method determination unit 224 determines the multilevel number and the error correction code, but the present invention is not limited to this.
  • the multilevel number may be a fixed value, and the method determination unit 224 may determine only the error correction code or the error detection code.
  • the number of bits of the error correction code or error detection code may be a fixed value, and the scheme determining section 224 may determine only the multilevel number.
  • the scheme determining section 224 determines the transmission power, but the present invention is not limited to this.
  • the transmit power in other embodiments may be a fixed value.
  • the scheme determining unit 224 of the mobile relay station 2 determines the transmission scheme of the terminal station 3, but this is not the only option.
  • the mobile relay station 2 may include the channel capacity of each terminal station 3 in the downlink signal, and each terminal station 3 may decide the transmission scheme based on the channel capacity. That is, in another embodiment, the terminal station 3 may have the scheme determining section 224 .
  • each terminal station 3 may determine channel capacity based on the orbits of LEO satellites. That is, in the wireless communication system 1 , the capacity specifying unit 223 and the method determining unit 224 may be provided in the mobile relay station 2 or may be provided in the terminal station 3 .
  • the mobile relay station 2 is mounted on the LEO satellite in the above-described embodiment, it is not limited to this.
  • the mobile relay stations 2 according to other embodiments may be mounted on other flying objects such as geostationary satellites, drones, and HAPS.
  • the mobile relay station 2 moves over the earth, and the terminal station 3 and the base station 4 are provided on the earth, but the wireless communication system 1 according to other embodiments may target celestial bodies other than the earth, such as the moon.
  • the capacity identification unit 223 of the mobile relay station 2 identifies the channel capacity related to communication with the base station 4 through MIMO communication with the base station 4, but is not limited to this.
  • the capacity identification unit 223 may store the channel capacity related to communication with the base station 4 in advance in the storage unit 241 for each time, and read the channel capacity from the storage unit 241 .
  • the capacity identifying unit 223 may obtain the elevation angle of the mobile relay station 2 with respect to the base station 4 based on the trajectory data and the position of the base station 4, and estimate the channel capacity from the elevation angle.
  • the mobile relay station 2 decides to transmit data on subsequent occasions when the channel capacity is large.
  • data may be transmitted to mobile relay stations 2 mounted on other LEO satellites forming the constellation.
  • a plurality of mobile relay stations 2 forming a constellation recognize the reception status of other mobile relay stations 2 by transmitting and receiving reception status information regarding the reception status of terminal uplink signals to each other.
  • the transmitting unit 225 of the mobile relay station 2 stores in the reception status information that communication with the terminal station 3 was not possible.
  • the reception schedule determination unit 222 of another mobile relay station 2 can determine the reception schedule from the terminal station 3 with which communication has failed based on the reception status information, and the method determination unit 224 can determine the transmission method of data transmission by the terminal station 3.
  • Wireless communication system 2 ... Mobile relay station 21... First antenna 22... Terminal communication unit 221... Storage unit 222... Reception schedule determination unit 223... Capacity determination unit 224... Method determination unit 225... Transmission unit 226... Reception unit 227... Synthesis unit 228... Spectrum conversion unit 24... Base station communication unit 241... Storage unit 242... Transmission schedule determination unit 243... Control unit 244 ... MIMO communication section 245 ... data generation section 246 ... transmission data modulation section 25 ... second antenna 3 ... terminal station 31 ... data storage section 32 ... reception section 33 ... condition determination section 34 ... transmission section 35 ... antenna 4 ... base station 41 ... antenna station 42 ... MIMO reception section 43 ... base station signal reception processing section 44 ... terminal signal reception processing section

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

容量推定部は、通信装置と中継装置との無線通信に係るチャネル容量を推定する。方式決定部は、通信装置から中継装置へのデータの伝送方式を、チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定する。

Description

通信システムおよび通信方法
　本発明は、通信システムおよび通信方法に関する。
　ＩｏＴ（Internet of Things）技術の発展により、各種センサを備えたＩｏＴ端末を様々な場所に設置することが検討されている。例えば、海上のブイや船舶、山岳地帯など、基地局の設置が困難な場所のデータを収集するためにＩｏＴを活用することも想定されている。一方で、ＵＡＶ（無人航空機、Unmanned Aerial Vehicle）や静止衛星を用いて、地上の通信装置と無線通信する技術がある（例えば、非特許文献１参照）。
Wei Feng, et al. "UAV-aided MIMO communications for 5G Internet of Things", IEEE Internet of Things Journal，Volume6, Issue2，2019年，p.1731-1740
　ＵＡＶや静止衛星などに中継装置を搭載する場合、地上の通信装置と中継装置との無線通信に係るチャネル容量は、中継装置の移動に伴って変化する。そのため、データの送信タイミングによっては、チャネル容量に対して情報量が少なく通信リソースを有効に使えない可能性がある。他方、送信タイミングによっては、チャネル容量に対して情報量が多いために中継装置が受信するデータに欠落が生じる可能性がある。
　上記事情に鑑み、本発明は、移動しながら通信を行う中継装置と地上の送信装置との通信において、通信リソースを有効に活用できる通信システムおよび通信方法を提供することを目的としている。
　本発明の第１の態様は、移動しながら通信を行う中継装置と前記中継装置にデータを送信する通信装置とを備える通信システムであって、前記通信装置と前記中継装置との無線通信に係るチャネル容量を推定する容量推定部と、前記通信装置から前記中継装置への前記データの伝送方式を、前記チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定する方式決定部とを備える通信システムである。
　本発明の第２の態様は、移動しながら通信を行う中継装置と前記中継装置にデータを送信する通信装置との間の通信方法であって、前記通信装置と前記中継装置との無線通信に係るチャネル容量を推定するステップと、前記通信装置から前記中継装置への前記データの伝送方式を、前記チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定するステップと、決定した前記伝送方式に従って、前記通信装置から前記中継装置に前記データを送信するステップとを有する通信方法である。
　上記少なくとも１つの態様によれば、移動しながら通信を行う中継装置と地上の送信装置との通信において、通信リソースを有効に活用することができる。
実施形態に係る無線通信システムの構成図である。 実施形態に係る移動中継局の処理を示すフロー図である。 実施形態に係る端末局の処理を示すフロー図である。 実施形態に係る基地局の処理を示すフロー図である。
　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。
　図１は、実施形態に係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、端末局３と、基地局４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及び基地局４それぞれの数は任意であるが、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、移動しながら通信を行う中継装置の一例である。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。端末局３及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。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。同図では、２台の端末局３のみを示している。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データを無線信号により受信し、受信したこれらのデータを基地局４へ無線送信する。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。
　移動中継局２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。
　しかしながら、ＬＥＯに搭載された移動中継局２は、高速で移動しながら通信を行うために、無線信号にドップラーシフトが発生する。また、ＬＥＯに搭載された中継局は、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合よりもリンクバジェットが小さい。そこで、移動中継局２は、端末局３から複数アンテナにより無線信号を受信し、基地局４へ複数アンテナにより無線信号を送信する。複数アンテナを用いた通信のダイバーシティー効果、ビームフォーミング効果により、通信品質を高めることができる。本実施形態においては、移動中継局２は、端末局３から複数アンテナにより受信した無線信号を、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）により基地局４へ中継する場合を例に説明する。なお、基地局４へ中継する方法は、ＭＩＭＯ以外でもよい。
　各装置の構成を説明する。
　移動中継局２は、複数の第１アンテナ２１と、端末通信部２２と、基地局通信部２４と、複数の第２アンテナ２５とを備える。端末通信部２２は、記憶部２２１と、受信スケジュール決定部２２２と、容量特定部２２３と、方式決定部２２４と、送信部２２５と、受信部２２６と、合成部２２７と、スペクトル変換部２２８と、を有する。
　記憶部２２１は、端末局３の位置データ及びＬＥＯ衛星の軌道データを記憶する。端末局３の位置データは、例えば緯度及び経度によって表される。ＬＥＯの軌道データは、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データである。記憶部２２１は、端末局３から受信する端末アップリンク信号のスペクトルデータを格納する記憶領域を有する。
　受信スケジュール決定部２２２は、記憶部２２１が記憶する端末局３の位置データ及び軌道データに基づいて、各端末局３から信号を受信するタイミングを特定する。
　容量特定部２２３は、受信スケジュール決定部２２２が決定した受信タイミングでの端末局３との通信におけるチャネル容量を特定する。例えば容量特定部２２３は、端末局３から受信する信号における誤り率からチャネル容量を求めることができる。また例えば容量特定部２２３は、端末局３からチャネル容量の値を含む制御信号を受信してもよい。
　方式決定部２２４は、容量特定部２２３が特定したチャネル容量に基づいて、端末局３によるデータ伝送の伝送方式を決定する。方式決定部２２４は、チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定する。具体的には、方式決定部２２４は、チャネル容量が小さいほど多値数が大きい伝送方式を採用する。多値数が大きいほど、１シンボルあたりの情報量を大きくすることができ、伝送効率が高くなる。他方、多値数が小さいほど、シンボル誤り率は低くなり、伝送品質が高くなる。また方式決定部２２４は、チャネル容量が小さいほど誤り訂正符号のビット数を大きくする。誤り訂正符号が短いほど、データフレームに対するペイロードの情報量が多くなり、伝送効率が高くなる。他方、誤り訂正符号が長いほど、誤りを訂正可能なビット数が大きくなり、伝送品質が高くなる。なお、他の実施形態においては誤り訂正符号に代えて誤り検出符号を付してもよい。誤り検出符号を用いる場合も、方式決定部２２４は、チャネル容量が大きいほど誤り検出符号のビット数を小さくする。誤り検出符号が短いほど、データフレームに対するペイロードの情報量が多くなり、伝送効率が高くなる。また方式決定部２２４は、チャネル容量が小さいほど信号の送信電力を大きくする。送信電力が大きいほど伝送品質が高くなる。チャネル容量が小さい端末局３は、伝送効率が高く伝送品質が低い伝送方式で伝送を行うため、送信電力を大きくしてＳＮ比を下げることで、誤りの発生確率を低下させることができる。また、方式決定部２２４は、容量特定部２２３が特定したチャネル容量が所定の閾値より小さい場合に、受信スケジュール決定部２２２が決定した受信タイミングにおいて、端末局３との通信を行わないことを決定してもよい。つまり、方式決定部２２４は、次回以降のチャネル容量が大きい機会にデータの伝送をすることを決定してもよい。
　なお、他の実施形態においては、方式決定部２２４は、端末局３毎ではなく、地上を複数のメッシュに区切ったエリア毎に、伝送方式を決定してもよい。
　送信部２２５は、方式決定部２２４が端末局３毎に決定した伝送方式を示す報知情報を、複数の第１アンテナ２１を介して端末ダウンリンク信号として送信する。すなわち報知情報は、端末局３のＩＤと決定した伝送方式とを関連付けたデータを含む。報知情報には、必ずしもすべての端末局３の伝送方式を含まなくてよく、例えば報知情報を送信する時点を起点とする一定の期間内に、受信スケジュール決定部２２２が決定した受信タイミングが含まれる端末局３に係る伝送方式が含まれていればよい。報知情報には、ＬＥＯ衛星の軌道データが含まれていてもよい。
　受信部２２６は、複数の第１アンテナ２１を介して信号を受信する。合成部２２７は、受信部２２６が複数の第１アンテナ２１を介して受信した複数の信号を所定の合成パラメータに従って合成する。合成パラメータは、例えば各第１アンテナ２１の位相と振幅のオフセットによって表される。なお、合成パラメータは、信号の受信タイミング及び当該受信タイミングにおける移動中継局２と通信相手の端末局３との位置関係に基づいて求められてもよいし、常に一定の値であってもよい。
合成部２２７は、信号の合成により端末アップリンク信号を再生する。
　スペクトル変換部２２８は、合成部２２７が合成した信号を周波数スペクトルに変換する。スペクトル変換部２２８は、例えばＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により受信した信号の周波数スペクトルを得る。スペクトル変換部２２８は、生成した周波数スペクトルを表すスペクトルデータを記憶部２２１に記録する。スペクトルデータは、周波数と当該周波数のパワーとの組み合わせによって表される。
　基地局通信部２４は、端末通信部２２が受信した端末アップリンク信号の波形を表すスペクトルデータをＭＩＭＯにより基地局４へ送信する。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、送信スケジュール決定部２４２と、制御部２４３と、ＭＩＭＯ通信部２４４と、データ生成部２４５と、送信データ変調部２４６とを備える。
　記憶部２４１は、基地局４の位置とＬＥＯ衛星の軌道から予め求められた基地局４との通信時間帯を記憶する。また記憶部２４１は、予め通信時間帯の各送信時刻について、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号のウェイトを記憶している。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。送信時刻毎のウェイトは、ＬＥＯ衛星の軌道データと、各アンテナ局４１の位置とに基づいて計算される。
　送信スケジュール決定部２４２は、記憶部２２１が記憶するスペクトルデータの数と、通信時間帯とに基づいて、スペクトルデータ毎の送信時間帯を決定する。送信スケジュール決定部２４２は、例えば通信時間帯の長さをスペクトルデータの数で除算することで個々のスペクトルデータの送信時間を決定し、通信時間帯を送信時間で区切ることで個々のスペクトルデータの送信時間帯を決定する。
　制御部２４３は、記憶部２４１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ通信部２４４に指示する。ＭＩＭＯ通信部２４４は、所定のプロトコルによって基地局４とのＭＩＭＯ通信を確立する。
　データ生成部２４５は、記憶部２２１が記憶するスペクトルデータをパラレル信号に変換した、変調する。変調されたパラレル信号は、基地局ダウンリンク信号として、制御部２４３から指示されたウェイトで重み付けされて各第２アンテナ２５から送信される。
　端末局３は、データ記憶部３１と、受信部３２と、条件決定部３３と、送信部３４と、一または複数のアンテナ３５とを備える。端末局３は、中継装置にデータを送信する通信装置の一例である。データ記憶部３１は、センサデータ及びＬＥＯ衛星の軌道データを記憶する。受信部３２は、複数のアンテナ３５を介して移動中継局２から端末ダウンリンク信号を受信し、報知情報を読み出す。
　条件決定部３３は、受信部３２が読み出した報知情報から、自局のＩＤに関連付けられた伝送方式を読み出し、送信部３４の伝送方式を決定する。また条件決定部３３は、ＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて、端末アップリンク信号の送信時間帯を決定する。すなわち、条件決定部３３は、移動中継局２の第１アンテナ２１のカバレッジ内に端末局３が存在する時間帯を、端末アップリンク信号の送信時間帯として決定する。なお、受信部３２が読み出した報知情報において、伝送方式に代えて通信を行わない旨が格納されている場合、条件決定部３３は端末アップリンク信号の送信を行わないことを決定する。
　送信部３４は、条件決定部３３が決定した送信時間帯および伝送方式に従って、データ記憶部３１が記憶するセンサデータを端末送信データとして設定した端末アップリンク信号をアンテナ３５から無線により送信する。つまり、送信部３４は、移動中継局２からの報知情報に格納された多値数、誤り訂正符号、および送信電力で、信号を送信する。送信部３４は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）により信号を送信する。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。また、送信部３４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）、ＭＩＭＯなどにより送信を行ってもよい。送信部３４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、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部３４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、複数のアンテナ３５から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。
　基地局４は、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ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。
　アンテナ局４１は、移動中継局２の複数の第２アンテナ２５それぞれからの信号の到来角差が大きくなるように他のアンテナ局４１と離れた位置に配置される。各アンテナ局４１は、移動中継局２から受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換してＭＩＭＯ受信部４２に出力する。
　ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１から受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道データと、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１それぞれが受信した基地局ダウンリンク信号に対する受信時刻ごとのウェイトを記憶している。例えば、受信時刻は、受信開始のタイミングからの経過時間で表してもよい。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から入力した基地局ダウンリンク信号に対して、その基地局ダウンリンク信号の受信時刻に対応したウェイトを乗算し、ウェイトが乗算された受信信号を合成する。なお、受信時刻によらず同じウェイトを用いてもよい。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号の復調及び復号を行い、復調情報を得る。基地局信号受信処理部４３は、復調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、端末アップリンク信号の受信処理を行う。端末信号受信処理部４４は、復調情報が示すスペクトルデータから端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。つまり、端末信号受信処理部４４は、スペクトルデータが示す周波数領域波形を時間領域波形に変換することで、端末アップリンク信号のシンボルを復号する。
　無線通信システム１の動作を説明する。図２は、実施形態に係る移動中継局２の処理を示すフロー図である。図３は、実施形態に係る端末局３の処理を示すフロー図である。図４は、実施形態に係る基地局４の処理を示すフロー図である。図２に示すように、移動中継局２の受信スケジュール決定部２２２は、記憶部２２１が記憶する端末局３の位置データ及び軌道データに基づいて、時刻毎に端末アップリンク信号の受信対象の端末局３を決定する（ステップＳ１２１）。容量特定部２２３は、端末局３ごとに、ステップＳ１２１で決定した受信タイミングでの通信におけるチャネル容量を特定する（ステップＳ１２２）。
　方式決定部２２４は、ステップＳ１２２で特定したチャネル容量に基づいて、端末局３ごとにデータ伝送の伝送方式を決定する（ステップＳ１２３）。すなわち、方式決定部２２４は、チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高くなるように、多値数、誤り訂正符号のビット数を決定する。また、方式決定部２２４は、伝送品質が低い伝送方式を採用した端末局ほど送信電力が大きくなるように、送信電力を決定する（ステップＳ１２４）。送信部２２５は、方式決定部２２４が端末局３毎に決定した伝送方式を示す報知情報を、複数の第１アンテナ２１を介して端末ダウンリンク信号として送信する（ステップＳ１２５）。
　他方、端末局３は、図１に示すように外部又は内部に備えられた図示しないセンサが検出したデータを取得し、取得したデータをデータ記憶部３１に書き込む（ステップＳ１０１）。端末局３の受信部３２は、ステップＳ１２５で移動中継局２から送信された端末ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ１０２）。条件決定部３３は、ステップＳ１０１で受信した端末ダウンリンク信号に含まれる報知情報から、自局のＩＤに関連付けられた伝送方式を読み出し、送信部３４の伝送方式を決定する（ステップＳ１０３）。また条件決定部３３は、ＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて、端末アップリンク信号の送信時間帯を決定する（ステップＳ１０４）。
　端末局の送信部３４は、現在時刻が条件決定部３３が決定したアップリンク信号の送信時間帯に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。送信部３４が現在時刻がアップリンク信号の送信時間帯に含まれないと判定した場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、端末局３はステップＳ１０１に処理を戻す。
　他方、送信部３４が現在時刻がアップリンク信号の送信時間帯に含まれると判定した場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、データ記憶部３１からセンサデータを読み出し、読み出したセンサデータを端末送信データとし、ステップＳ１０３で決定した伝送方式の端末アップリンク信号に設定する。送信部３４は、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３５から無線送信する（ステップＳ１０６）。端末局３は、処理をステップＳ１０５に戻す。これにより、端末局３は、送信時間帯の間、アップリンク信号の送信を続ける。
　図２に示すように、移動中継局２の複数の受信部２２６は、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ１２６）。送信元の端末局３の無線通信方式によって、同一の周波数については時分割で１台の端末局３からのみ端末アップリンク信号を受信する場合と、同一の周波数で同時に複数台の端末局３から端末アップリンク信号を受信する場合がある。合成部２２７は、複数の受信部２２６が受信した端末アップリンク信号をステップＳ１２２で設定された合成パラメータに従って合成する（ステップＳ１２７）。スペクトル変換部２２８は、合成部２２７が合成した信号をスペクトルデータに変換し、記憶部２２１に記録する（ステップ１２８）。
　送信スケジュール決定部２４２は、記憶部２４１を参照して、現在時間が基地局４との通信時間帯に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１２９）。現在時間が基地局４との通信時間帯に含まれない場合（ステップＳ１２９：ＮＯ）、ステップＳ１２１に処理を戻す。他方、現在時間が基地局４との通信時間帯に含まれる場合（ステップＳ１２９：ＹＥＳ）、送信スケジュール決定部２４２は、記憶部２２１が記憶するスペクトルデータの数と、基地局４との通信時間帯の長さとに基づいて、スペクトルデータ毎の送信時間を決定する（ステップＳ１３０）。
　データ生成部２４５は、記憶部２２１が記憶するスペクトルデータをパラレル変換し、送信データ変調部２４６は、パラレル変換されたスペクトルデータを変調する。ＭＩＭＯ通信部２４４は、送信データ変調部２４６が変調した送信データに制御部２４３から指示されたウェイトにより重み付けを行って、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ通信部２４４は、生成した各基地局ダウンリンク信号を第２アンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ１３１）。移動中継局２は、記憶部２２１が記憶するすべてのスペクトルデータを送信すると、処理をステップＳ１２１に戻す。
　図４に示すように、基地局４の各アンテナ局４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ１４１）。各アンテナ局４１は、受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換した受信信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から受信した受信信号のタイミングを同期させる。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１が受信した受信信号を、ウェイトに基づいて合成る。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号を復調する（ステップＳ１４２）。基地局信号受信処理部４３は、復調された受信信号を復号して得られた波形データ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の端末信号復号部４４１は、波形データが示す端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る（ステップＳ１４３）。なお、端末信号復号部４４１は、ＳＩＣ（Successive Interference Cancellation）のように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。基地局４は、ステップＳ１４１からの処理を繰り返す。
　本実施形態によれば、移動中継局２は、端末局３との通信に係るチャネル容量に基づいて、波形データのサンプリングの対象帯域を異ならせる。具体的には、移動中継局２は、チャネル容量が大きいほど対象帯域が広くなるように波形データを生成する。これにより、移動中継局２は、受信データの欠落を防ぎながら通信リソースを有効に活用することができる。つまり、無線通信システム１は、チャネル容量が大きい場合に、広い帯域の情報を伝送することができる。
　以上説明したように、上述した実施形態によれば、移動中継局２は、端末局３から移動中継局２へのデータの伝送方式を、チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定する。これにより、移動中継局２は、端末局３と移動中継局２との通信において、通信リソースを有効に活用することができる。
　移動中継局２は、バスで接続されたプロセッサ、メモリ、補助記憶装置などを備え、中継プログラムを実行することによって端末通信部２２及び基地局通信部２４を備える装置として機能する。プロセッサの例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
　中継プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記憶装置である。中継プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　なお、移動中継局２の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を用いて実現されてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。
（他の実施形態）
　以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
　上述した実施形態に係る移動中継局２は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、移動中継局２の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで移動中継局２として機能するものであってもよい。
　上述した実施形態によれば、方式決定部２２４が、多値数と誤り訂正符号とを決定するが、これに限らない。例えば、他の実施形態では、多値数を固定値とし、方式決定部２２４が誤り訂正符号または誤り検出符号のみを決定してもよい。また他の実施形態では、誤り訂正符号または誤り検出符号のビット数を固定値とし、方式決定部２２４が多値数のみを決定してもよい。また、上述した実施形態によれば、方式決定部２２４が、送信電力を決定するが、これに限らない。例えば、他の実施形態における送信電力が固定値であってもよい。
　上述した実施形態によれば、移動中継局２の方式決定部２２４が端末局３の伝送方式を決定するが、これに限らない。例えば、他の実施形態においては、移動中継局２がダウンリンク信号に各端末局３のチャネル容量を含め、各端末局３が、チャネル容量に基づいて伝送方式を決定してもよい。つまり、他の実施形態においては、端末局３が方式決定部２２４を備えてもよい。さらに他の実施形態においては、各端末局３が、ＬＥＯ衛星の軌道に基づいてチャネル容量を特定してもよい。つまり、無線通信システム１において、容量特定部２２３および方式決定部２２４は、移動中継局２に備えられてもよいし、端末局３に備えられてもよい。
　上述した実施形態において、移動中継局２がＬＥＯ衛星に搭載されるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る移動中継局２は、静止衛星、ドローン、ＨＡＰＳなど他の飛行体に搭載されてもよい。また、上述した実施形態において移動中継局２は地球の上空を移動し、端末局３及び基地局４は、地球上に設けられるが、他の実施形態に係る無線通信システム１は、月など地球以外の天体を対象とするものであってもよい。
　上述した実施形態において、移動中継局２の容量特定部２２３は、基地局４とのＭＩＭＯ通信によって基地局４との通信に係るチャネル容量を特定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る容量特定部２２３は、予め時刻毎に基地局４との通信に係るチャネル容量を記憶部２４１に記憶しておき、記憶部２４１からチャネル容量を読み出すものであってよい。また他の実施形態に係る容量特定部２２３は、軌道データと基地局４の位置とに基づいて基地局４に対する移動中継局２の仰角を求め、仰角からチャネル容量を推定するものであってもよい。
　上述した実施形態に係る移動中継局２は、容量特定部２２３が特定したチャネル容量が所定の閾値より小さい場合に、次回以降のチャネル容量が大きい機会にデータの伝送をすることを決定する。他の実施形態において、複数のＬＥＯ衛星がコンステレーションを構成している場合、コンステレーションを構成する他のＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２にデータを伝送させてもよい。コンステレーションを構成する複数の移動中継局２は、互いに端末アップリンク信号の受信の状況に関する受信状況情報を送受信することで、他の移動中継局２の受信状況を認識する。ここで、移動中継局２の送信部２２５は、容量特定部２２３が特定したチャネル容量が所定の閾値より小さい場合に、受信状況情報に、端末局３と通信できなかったことを格納する。これにより、他の移動中継局２の受信スケジュール決定部２２２は、受信状況情報に基づいて通信できなかった端末局３からの受信スケジュールを決定し、方式決定部２２４は、当該端末局３によるデータ伝送の伝送方式を決定することができる。
　１…無線通信システム　２…移動中継局　２１…第１アンテナ　２２…端末通信部　２２１…記憶部　２２２…受信スケジュール決定部　２２３…容量特定部　２２４…方式決定部　２２５…送信部　２２６…受信部　２２７…合成部　２２８…スペクトル変換部　２４…基地局通信部　２４１…記憶部　２４２…送信スケジュール決定部　２４３…制御部　２４４…ＭＩＭＯ通信部　２４５…データ生成部　２４６…送信データ変調部　２５…第２アンテナ　３…端末局　３１…データ記憶部　３２…受信部　３３…条件決定部　３４…送信部　３５…アンテナ　４…基地局　４１…アンテナ局　４２…ＭＩＭＯ受信部　４３…基地局信号受信処理部　４４…端末信号受信処理部

Claims (7)

  1. 　移動しながら通信を行う中継装置と前記中継装置にデータを送信する通信装置とを備える通信システムであって、
    　前記通信装置と前記中継装置との無線通信に係るチャネル容量を特定する容量特定部と、
    　前記通信装置から前記中継装置への前記データの伝送方式を、前記チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、前記チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定する方式決定部と
    　を備える通信システム。
  2. 　前記方式決定部は、前記チャネル容量が小さいほど前記伝送方式の多値数を大きくする
    　請求項１に記載の通信システム。
  3. 　前記方式決定部は、前記チャネル容量が小さいほど前記伝送方式の誤り訂正符号または誤り検出符号のデータ量を小さくする
    　請求項１または請求項２に記載の通信システム。
  4. 　前記方式決定部は、前記チャネル容量が小さいほど前記データの伝送に係る送信電力を大きくする
    　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の通信システム。
  5. 　前記容量特定部および前記方式決定部は、前記中継装置に備えられ、
    　前記中継装置は、決定した前記伝送方式を前記通信装置に報知する報知部を備え、
    　前記通信装置は、前記中継装置から報知された前記伝送方式に従って前記データを前記中継装置に送信する送信部を備える
    　請求項１から請求項４の何れか１項に記載の通信システム。
  6. 　前記方式決定部は、前記チャネル容量が所定の閾値より小さい場合に、前記データの伝送を行わないことを決定する
    　請求項１から請求項５の何れか１項に記載の通信システム。
  7. 　移動しながら通信を行う中継装置と前記中継装置にデータを送信する通信装置との間の通信方法であって、
    　前記通信装置と前記中継装置との無線通信に係るチャネル容量を推定するステップと、
    　前記通信装置から前記中継装置への前記データの伝送方式を、前記チャネル容量が大きいほど伝送効率が低く伝送品質が高い方式に決定し、チャネル容量が小さいほど伝送品質が低く伝送効率が高い方式に決定するステップと、
    　決定した前記伝送方式に従って、前記通信装置から前記中継装置に前記データを送信するステップと
    　を有する通信方法。
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WO2018142539A1 (ja) * 2017-02-02 2018-08-09 三菱電機株式会社 制御局、衛星局、地球局、データ伝送システムおよびデータ伝送方法

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