特開 2022-165729 通信中継装置、システム及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022165729

(43)【公開日】2022-11-01

(54)【発明の名称】通信中継装置、システム及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H04W 16/28 20090101AFI20221025BHJP

   H04W 84/06 20090101ALI20221025BHJP

   H04B 7/185 20060101ALI20221025BHJP

   H04B 7/06 20060101ALI20221025BHJP

【ＦＩ】

H04W16/28

H04W84/06

H04B7/185

H04B7/06 152

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021071194

(22)【出願日】2021-04-20

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、総務省、「ＨＡＰＳを利用した無線通信システムに係る周波数有効利用技術に関する研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】501440684

【氏名又は名称】ソフトバンク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098626

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 壽

(74)【代理人】

【識別番号】100128691

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 弘通

(72)【発明者】

【氏名】田代 晃司

(72)【発明者】

【氏名】星野 兼次

(72)【発明者】

【氏名】長手 厚史

【テーマコード（参考）】

5K067

5K072

【Ｆターム（参考）】

5K067AA03

5K067EE02

5K067EE08

5K067KK02

5K067KK03

5K072DD06

5K072DD13

5K072DD17

(57)【要約】

【課題】上空滞在型の通信中継装置から地上又は海上にビームを向けて形成した第１セル内に配置された干渉抑圧対象に対するビーム干渉を抑圧する。
【解決手段】通信中継装置は、地上又は海上に向けて第１セルを形成し、前記第１セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信を行う。通信中継装置は、第１セルにおいて複数のビームからなるビームパターンを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、アレーアンテナよりも低い位置に配置された干渉抑圧対象のアンテナの位置情報に基づいて、アレーアンテナによって形成されるビームパターンのヌルが干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御し、複数の端末装置との間の下りリンクの通信を行う。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

地上又は海上に向けて第１セルを形成し、前記第１セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信を行う上空滞在型の通信中継装置であって、
前記第１セルにおいて複数のビームからなるビームパターンを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、
前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された干渉抑圧対象のアンテナの位置情報に基づいて、前記アレーアンテナによって形成される前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御し、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信を行う手段と、
を備えることを特徴とする通信中継装置。

【請求項2】

請求項１の通信中継装置において、
前記第１セルに在圏して当該通信中継装置に接続する複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成し、かつ、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項3】

請求項２の通信中継装置において、
前記複数の端末装置のチャネル状態情報に基づいて、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信に用いる複数の無線リソースを割り当てる無線リソース割当部と、
前記複数の無線リソースのそれぞれについて、複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成し、かつ、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミング制御を行い、周波数領域の送信信号を生成する複数の周波数領域のビームフォーミング制御部と、
を備えることを特徴とする通信中継装置。

【請求項4】

請求項２の通信中継装置において、
前記複数の端末装置のチャネル状態情報に基づいて、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信に用いる複数の無線リソースを割り当てる無線リソース割当部と、
前記複数の無線リソースのそれぞれについて、複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成するようにビームフォーミング制御を行い、周波数領域の送信信号を生成する複数の周波数領域のビームフォーミング制御部と、
前記複数の無線リソースの全体について、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミング制御を行い、前記周波数領域の送信信号から変換された時間領域の送信信号を生成する時間領域のビームフォーミング制御部と、
を備えることを特徴とする通信中継装置。

【請求項5】

請求項３又は４の通信中継装置において、
前記周波数領域のビームフォーミング制御部は、
前記アレーアンテナと前記干渉抑圧対象のアンテナのとの間のチャネル行列を生成し、
前記チャネル行列に基づいて、前記複数の無線リソースのそれぞれについて前記ビームフォーミングのウェイトを計算し、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に割り当てられた無線リソースと、当該無線リソースについて計算された前記ビームフォーミングのウェイトとに基づいて、周波数領域の下りリンク信号を生成する、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項6】

請求項２乃至５のいずれかの通信中継装置において、
前記複数の端末装置に向けた前記複数のビームが互いに無干渉となるように、かつ、前記複数のビームのそれぞれが前記基地局アンテナに対して無干渉になるように、前記ビームフォーミングを制御する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項7】

請求項２乃至５のいずれかの通信中継装置において、
前記端末装置のＳＩＮＲが最大になるように、前記ビームフォーミングを制御する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項8】

請求項２乃至５のいずれかの通信中継装置において、
前記複数の端末装置に向けた前記複数のビームのそれぞれが前記基地局アンテナに対して無干渉になる条件の下で、前記端末装置のＳＩＮＲが最大になるように、前記ビームフォーミングを制御する、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項9】

請求項２乃至５のいずれかの通信中継装置において、
前記複数の端末装置のそれぞれにビームを向ける第１のビームフォーミング制御と、前記ビームパターンのヌルを前記基地局アンテナに向ける第２のビームフォーミング制御とを互いに独立に行う、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれかの通信中継装置において、
前記干渉抑圧対象のアンテナは、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置され前記第１セルと同一の周波数帯を用いて前記第１セル内に第２セルを形成する低位置の基地局アンテナである、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項11】

請求項１乃至９のいずれかの通信中継装置において、
前記干渉抑圧対象のアンテナは、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された電波天文観測局のアンテナである、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項12】

請求項１乃至１０のいずれかの通信中継装置と、前記通信中継装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの無線通信を行う端末装置と、を備えることを特徴とするシステム。

【請求項13】

地上又は海上に向けて第１セルにおいて複数のビームからなるビームパターンを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを介して、前記第１セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信を行う上空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、
前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された干渉抑圧対象のアンテナの位置情報に基づいて、前記アレーアンテナによって形成される前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御し、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信を行うためのプログラムコード、
を含むことを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、上空滞在型の通信中継装置で形成する広域のセルにおける干渉の抑圧に関する。

【背景技術】

【0002】

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。）等の上空滞在型の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＨＡＰＳ等の上空滞在型の通信中継装置と、その上空滞在型の通信中継装置で形成されるセル内に位置する複数の端末装置（以下「ＵＥ」ともいう。）との間の通信として、ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（以下「ｍＭＩＭＯ」ともいう。）伝送方式の通信が知られている。ｍＭＩＭＯは、多数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを用いてデータ送受信を行うことにより大容量・高速通信を実現する無線伝送技術である。また、複数のＵＥのそれぞれに対して同時にビームフォーミングを行う伝送方式は、「ＭＵ（Multi User）－ＭＩＭＯ」とも呼ばれる。多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行うことにより、各ＵＥの通信環境に応じてＵＥごとに適切なビームを向けて通信できるため、セル全体の通信品質を改善できる。また、同一の無線リソース（時間・周波数リソース）を用いて複数のＵＥとの通信ができるため、システム容量を拡大することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記上空滞在型の通信中継装置と地上の複数のＵＥとの間でＭＵ－ＭＩＭＯの通信を行うために多素子のアレーアンテナを利用してＵＥごとに高利得のビームを向ける必要があるが、高利得のビームは、当該セル内にアンテナが位置する既存の地上基地局及び地上基地局に接続するＵＥを含む地上セルに対する干渉となる、という課題がある。なお、同様な課題は、上記上空滞在型の通信中継装置からのビーム干渉を抑圧する対象（以下「干渉抑圧対象」という。）が地上セル（地上基地局、ＵＥ）以外（例えば、電波天文観測局）の場合に発生し得る。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様に係る通信中継装置は、地上又は海上に向けて第１セルを形成し、前記第１セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信を行う上空滞在型の通信中継装置である。この通信中継装置は、前記第１セルにおいて複数のビームからなるビームパターンを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された干渉抑圧対象のアンテナの位置情報に基づいて、前記アレーアンテナによって形成される前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御し、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信を行う手段と、を備える。

【0006】

前記通信中継装置において、前記第１セルに在圏して当該通信中継装置に接続する複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成し、かつ、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミングを制御してもよい。

【0007】

前記通信中継装置において、前記複数の端末装置のチャネル状態情報に基づいて、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信に用いる複数の無線リソースを割り当てる無線リソース割当部と、前記複数の無線リソースのそれぞれについて、複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成し、かつ、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミング制御を行い、周波数領域の送信信号を生成する複数の周波数領域のビームフォーミング制御部と、を備えてもよい。

【0008】

前記通信中継装置において、前記複数の端末装置のチャネル状態情報に基づいて、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信に用いる複数の無線リソースを割り当てる無線リソース割当部と、前記複数の無線リソースのそれぞれについて、複数の端末装置のそれぞれに向いた複数のビームを形成するようにビームフォーミング制御を行い、周波数領域の送信信号を生成する複数の周波数領域のビームフォーミング制御部と、前記複数の無線リソースの全体について、前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象のアンテナに向くようにビームフォーミング制御を行い、前記周波数領域の送信信号から変換された時間領域の送信信号を生成する時間領域のビームフォーミング制御部と、を備えてよい、

【0009】

前記通信中継装置において、前記周波数領域のビームフォーミング制御部は、前記アレーアンテナと前記干渉抑圧対象のアンテナのとの間のチャネル行列を生成し、前記チャネル行列に基づいて、前記複数の無線リソースのそれぞれについて前記ビームフォーミングのウェイトを計算し、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に割り当てられた無線リソースと、当該無線リソースについて計算された前記ビームフォーミングのウェイトとに基づいて、周波数領域の下りリンク信号を生成してもよい。

【0010】

前記通信中継装置において、前記複数の端末装置に向けた前記複数のビームが互いに無干渉となるように、かつ、前記複数のビームのそれぞれが前記基地局アンテナに対して無干渉になるように、前記ビームフォーミングを制御してもよい。

【0011】

前記通信中継装置において、前記端末装置のＳＩＮＲが最大になるように、前記ビームフォーミングを制御してもよい。

【0012】

前記通信中継装置において、前記複数の端末装置に向けた前記複数のビームのそれぞれが前記基地局アンテナに対して無干渉になる条件の下で、前記端末装置のＳＩＮＲが最大になるように、前記ビームフォーミングを制御してもよい。

【0013】

前記通信中継装置において、前記複数の端末装置のそれぞれにビームを向ける第１のビームフォーミング制御と、前記ビームパターンのヌルを前記基地局アンテナに向ける第２のビームフォーミング制御とを互いに独立に行ってもよい。

【0014】

前記通信中継装置において、前記干渉抑圧対象のアンテナは、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置され前記第１セルと同一の周波数帯を用いて前記第１セル内に第２セルを形成する低位置の基地局アンテナであってもよいし、又は、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された電波天文観測局のアンテナであってもよい。

【0015】

本発明の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、前記通信中継装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの無線通信を行う端末装置と、を備える。

【0016】

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、地上又は海上に向けて第１セルにおいて複数のビームからなるビームパターンを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを介して、前記第１セルに在圏する複数の端末装置との間で無線通信を行う上空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、前記アレーアンテナよりも低い位置に配置された干渉抑圧対象のアンテナの位置情報に基づいて、前記アレーアンテナによって形成される前記ビームパターンのヌルが前記干渉抑圧対象に向くようにビームフォーミングを制御し、前記複数の端末装置との間の下りリンクの通信を行うためのプログラムコードを含む。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、上空滞在型の通信中継装置から地上又は海上に向けて形成した第１セル内に配置された干渉抑圧対象に対するビーム干渉を抑圧することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態に係るＨＡＰＳを含む通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。

【図2】実施形態のＨＡＰＳの一例を示す斜視図。

【図3】実施形態のＨＡＰＳの他の例を示す側面図。

【図4】実施形態のＨＡＰＳのサービスリンクのアレーアンテナの一例を示す斜視図。

【図5】実施形態のＨＡＰＳのサービスリンクのアレーアンテナの他の例を示す斜視図。

【図6】ＨＡＰＳのアレーアンテナを用いたＭＵ－ＭＩＭＯにおけるビームフォーミングを実施する場合の課題を示す説明図。

【図7】実施形態に係るＨＡＰＳのアレーアンテナを用いたＭＵ－ＭＩＭＯにおけるビームフォーミングの一例を示す説明図。

【図8】実施形態に係るＨＡＰＳにおける各ＵＥに対する下りリンク通信の無線リソースの割り当ての一例を示す説明図。

【図9】実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局と同一無線リソースが割り当てられた複数のＵＥとの間の下りリンク通信の通信モデルの一例を示す説明図。

【図10】実施形態に係るビームフォーミング制御におけるＺＦ型ビームフォーミング方式の一例を示す説明図。

【図11】実施形態に係るビームフォーミング制御におけるＭＭＳＥ型ビームフォーミング方式の一例を示す説明図。

【図12】実施形態に係るビームフォーミング制御におけるハイブリッド型ビームフォーミング方式の一例を示す説明図。

【図13】実施形態に係るビームフォーミング制御におけるセパレート型ビームフォーミング方式の一例を示す説明図。

【図14】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ブロック図。

【図15】図１４の中継通信局における基地局処理部の主要構成の一例を示すブロック図。

【図16】図１５の基地局処理部におけるフルデジタルＢＦの場合の無線リソース割り当ての一例を示す説明図。

【図17】図１４の中継通信局における基地局処理部の主要構成の他の例を示すブロック図。

【図18】図１７の基地局処理部におけるハイブリッドＢＦの場合の無線リソース割り当ての一例を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。
本書に記載された実施形態に係るシステムは、地上又は海上に向けてセルを形成し、セルに在圏する複数の端末装置（ＵＥ）との間で、多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う上空滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）を備え、ＨＡＰＳセル（第１セル）内に同一周波数帯を用いる既存の地上基地局で形成される地上セル（第２セル）や電波天文観測局等の干渉抑圧対象が位置する場合に、ＨＡＰＳから地上セル（地上基地局及び地上基地局に接続するＵＥ）等の干渉抑圧対象への干渉を抑圧することができる通信システム（ＨＡＰＳシステム）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世代等の次世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。

【0020】

図１は、実施形態に係るＨＡＰＳ（上空滞在型の通信中継装置）を含む通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図１において、本実施形態の通信システム（以下「ＨＡＰＳシステム」ともいう。）は、上空滞在型の通信中継装置（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。）１０を備えている。ＨＡＰＳ１０は、所定高度の空域に位置して第１セルとしての３次元セル（以下「ＨＡＰＳセル」ともいう。）１００Ｃを形成する。ＨＡＰＳ１０は、自律制御又は外部からの制御により地面又は海面から所定高度の空域（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（例えば、ソーラープレーン、飛行船、ドローン、気球）に、中継通信局が搭載されたものである。なお、上空滞在型の通信中継装置は、人工衛星に中継通信局が搭載されたものであってもよい。また、本実施形態の通信システムは、ＨＡＰＳ１０が通信する一又は複数の端末装置を含んでもよいし、後述のゲートウェイ局（フィーダ局）を含んでもよい。

【0021】

ＨＡＰＳ１０が位置する空域は、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。

【0022】

ＨＡＰＳは一般的な人工衛星の飛行高度よりも低く、地上や海上の基地局よりも高い場所を飛行するため、衛星通信よりも小さい伝搬ロスでありながら、高い見通し率を確保できる。この特徴から、ＨＡＰＳから地上又は海上のセルラ携帯端末等のユーザ装置である端末装置（移動局）６１に対して通信サービスを提供することも可能である。通信サービスをＨＡＰＳから提供することで、これまで多数の地上又は海上の基地局でカバーされていた広いエリアを少数のＨＡＰＳで一度にカバーできるため、低コストで安定した通信サービスを提供できるメリットがある。

【0023】

ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、利用者の端末装置（以下「ＵＥ」（ユーザ装置）という。）と無線通信するためのビームを地面（又は海面）に向けて形成することにより、ＵＥ６１と無線通信可能なＨＡＰＳセル１００Ｃを形成する。このＨＡＰＳセル１００Ｃの地上（又は海上）におけるフットプリント１００Ｆからなるサービスエリア１００Ａの半径は、例えば数１０［ｋｍ］～１００［ｋｍ］である。

【0024】

なお、本実施形態において、ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、複数の３次元セル（例えば、３セル又は７セル）を形成し、その複数の３次元セルの地上（又は海上）における複数のフットプリントからなるサービスエリア１００Ａを形成してもよい。

【0025】

本実施形態の通信システムは、上空滞在型の通信中継装置であるＨＡＰＳ１０と地上又は海上に位置する干渉抑圧対象であるセルを形成する低位置の基地局（以下「地上基地局」という。）３０が混在した環境になっている。図１の例では、ＨＡＰＳセル１００Ｃの内側に複数の低位置の地上基地局３０のアンテナ（以下「基地局アンテナ」ともいう。）が位置し、３次元なセル１００Ｃのフットプリント１００Ｆからなるサービスエリア１００Ａの内側に、セル１００Ｃのフットプリント１００Ｆよりも小さい地上基地局３０のセル（以下「地上セル」という。）３００Ｃが形成される。ＨＡＰＳ１０と地上基地局（例えばｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）３０はそれぞれ、自局のセル１００Ｃ、３００Ｃに在圏するＵＥ６１，６５との間のサービスリンクの無線通信に同一の周波数帯を用いる。地上基地局３０は、基地局アンテナを有するＲＲＨ（遠隔無線ヘッド）とＢＢＵ（ベースバンドユニット）とを光回線で接続した構成であってもよい。この場合、図１中の基地局３０の位置に、基地局アンテナを有するＲＲＨが位置する。

【0026】

ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、例えば、地上（又は海上）側の移動通信網８０のコアネットワークに接続され上空を向いたアンテナ７１を有する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（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）である。ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、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。ＨＡＰＳ１０とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。

【0027】

ＨＡＰＳ１０は、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）や中継通信局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０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）や中継通信局での処理を自律制御してもよい。

【0028】

また、ＨＡＰＳ１０の浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた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、ＨＡＰＳ１０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、管理装置から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。また、ＨＡＰＳ１０は、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や中継通信局での処理に関する情報、ＨＡＰＳ１０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、ＨＡＰＳ１０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、ＨＡＰＳ１０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ１０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。

【0029】

図２は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。
図２のＨＡＰＳ１０は、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳであり、長手方向の両端部側が上方に反った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の上面には、太陽光発電機能を有する太陽光発電部としての太陽光発電パネル（以下「ソーラーパネル」という。）１０２が設けられている。また、主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての中継通信局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラーパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、中継通信局１１０による無線中継処理が実行される。

【0030】

図３は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の他の例を示す斜視図である。図３のＨＡＰＳ１０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ１０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、中継通信局１１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、中継通信局１１０による無線中継処理が実行される。なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラーパネルを設け、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。

【0031】

なお、以下の実施形態では、ＵＥ６１と無線通信する上空滞在型の通信中継装置が、図２のソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０及び無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０のいずれの一方の場合について図示して説明するが、上空滞在型の通信中継装置は図３の無人飛行船タイプのＨＡＰＳ１０でもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ１０以外の他の上空滞在型の通信中継装置にも同様に適用できる。

【0032】

また、ＨＡＰＳ１０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との間のリンクＦＬ（Ｆ），ＦＬ（Ｒ）を「フィーダリンク」といい、ＨＡＰＳ１０とＵＥ６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、ＨＡＰＳ１０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ＨＡＰＳ１０を経由してＵＥ６１に向かう通信の下りリンクを「フォワードリンク」ＦＬ（Ｆ）といい、ＵＥ６１からＨＡＰＳ１０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」ＦＬ（Ｒ）ともいう。

【0033】

本実施形態の通信システムにおいて、地上基地局３０とＵＥ６５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、地上基地局３０とＵＥ６５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。

【0034】

同様に、中継通信局１１０を介したＵＥ６１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（ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局１１０を介したＵＥ６１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方式、ＴＤＭＡ方式、ＣＤＭＡ方式、又は、ＯＦＤＭＡであってもよい。

【0035】

また、本実施形態のサービスリンクの無線通信には、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、多数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを用いてマルチレイヤ伝送を行うｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）伝送方式を用いている。特に、本実施形態では、ＨＡＰＳ１０の中継通信局からセル内の複数のＵＥ６１への下りリンク通信において、複数の異なるＵＥ６１に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術を用いている。多数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行うことにより、各ＵＥ６１の通信環境に応じてＵＥ６１ごとに適切なビームを向けて通信できるため、セル全体の通信品質を改善できる。また、同一の無線リソース（時間・周波数リソース）を用いて複数のＵＥ６１との通信ができるため、システム容量を拡大することができる。

【0036】

図４及び図５はそれぞれ、本実施形態のＨＡＰＳ１０におけるＭＵ－ＭＩＭＯ伝送方式に用いることができる多素子で構成されるアレーアンテナ１３０の一例を示す斜視図である。

【0037】

図４のアレーアンテナ１３０は、平板状のアンテナ基体を有し、そのアンテナ基体の平面状のアンテナ面に沿って多数のパッチアンテナなどのアンテナ素子１３０ａが互いに直交する軸方向に二次元的に配列された平面型のアレーアンテナである。

【0038】

図５のアレーアンテナ１３０は、円筒状又は円柱状のアンテナ基体を有し、そのアンテナ基体の第１アンテナ面としての円周側面の軸方向及び周方向のそれぞれに沿って多数のパッチアンテナなどのアンテナ素子１３０ａが配置されたシリンダー型のアレーアンテナである。図５のアレーアンテナ１３０では、図示のように、第２アンテナ面としての底面に沿って複数のパッチアンテナなどのアンテナ素子１３０ａが円形状に配置されていてもよい。また、図５におけるアンテナ基体は、多角筒状又は多角円柱状のアンテナ基体であってもよい。

【0039】

なお、アレーアンテナ１３０の形状、並びに、アンテナ素子の数、種類及び配置は、図４及び図５に例示したものに限定されない。

【0040】

図６は、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０を用いたＭＵ－ＭＩＭＯ伝送方式におけるビームフォーミングを実施する場合の課題を示す説明図である。図６のＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０とサービスエリア１００Ａ（セル１００Ｃのフットプリント１００Ｆ）との間のサービスリンクＳＬにおいて、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送方式を用いて、各ＵＥ６１の通信環境に応じて、各ＵＥ６１（１）～６１（４）に対して個別に適切な高利得のビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（４）を向けて長距離の伝搬損失を補って通信するビームフォーミングを行うことにより、通信品質を改善することができる。特に、サービスリンクＳＬにおいて同一の無線リソース（例えば、同一の時間・周波数のリソースブロック（ＲＢ））を用いて複数のＵＥ６１と通信するＭＵ－ＭＩＭＯ伝送方式を用いた場合は、システム容量を改善することができる。

【0041】

しかしながら、図６のようにＨＡＰＳ１０と地上基地局３０（１），３０（２）が混在した環境において、ＨＡＰＳ１０及び地上基地局３０（１），３０（２）が同一の周波数帯を利用して各セルに在圏するＵＥ６１，６５と同時に通信を行う場合、ＨＡＰＳ１０から送信した下りリンクの無線送信信号は、地上基地局３０（１），３０（２）と地上セル３００Ｃ（１），３００Ｃ（２）に在圏するＵＥ６５（１），６５（２）との間のサービスリンクの通信（以下「地上システムの通信」ともいう。）に対する干渉となるおそれがある。このＨＡＰＳ１０からの干渉が発生すると、地上基地局３０（１），３０（２）とＵＥ６５との間の通信のスループットが大きく低下する。

【0042】

そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ１０において、地上基地局の基地局アンテナの位置情報に基づいて、ＨＡＰＳセル内に位置する地上基地局（アンテナ）に対してビームパターン（ビームの空間分布のプロファイル）のヌルが向くようにＨＡＰＳセルのビームフォーミング制御を行っている。これにより、ＨＡＰＳセルに在圏する複数のＵＥ６１のそれぞれに対してマルチビームによって所望信号を送信する通信品質の大きな低下を発生させることなく、ＨＡＰＳ１０が地上システムの通信に与える干渉を抑圧している。

【0043】

図７は、実施形態に係るＨＡＰＳのアレーアンテナを用いたＭＵ－ＭＩＭＯにおけるビームフォーミングの一例を示す説明図である。図７の例では、ＨＡＰＳセル１００Ｃ内に位置する複数の地上基地局（アンテナ）３０（１），３０（２）のそれぞれに対してビームパターン（ビームの空間分布のプロファイル）のヌルが向くようにＨＡＰＳ１０側でビームフォーミング制御を行っている。これにより、ＨＡＰＳ１０が地上基地局（アンテナ）３０（１），３０（２）のそれぞれの地上システムの通信に与える干渉を送信側で抑圧することができるので、地上基地局３０（１），３０（２）と地上セル３００Ｃ（１），３００Ｃ（２）内のＵＥ６５（１），６５（２）は正常に通信することができる。また、ＨＡＰＳセルに在圏する複数のＵＥ６１（１）～６１（４）のそれぞれに所望信号を送信するマルチビームは維持されるため、ＨＡＰＳ１０から複数のＵＥ６１（１）～６１（４）への下りリンク通信の通信品質の大きな低下は発生しない。

【0044】

以下、本実施形態に係るＨＡＰＳ１０から複数のＵＥ６１（１）～６１（４）への下りリンク通信における上記ビームパターンのヌルが地上基地局の方向に向くように行うビームフォーミング制御の実施例について説明する。

【0045】

本実施形態のＨＡＰＳ１０によるビームフォーミング制御を伴う下りリンク通信の処理フローは、例えば次のステップ０～ステップ３の手順で行うことができる。
ステップ０：準備処理
ステップ１：チャネル行列生成処理
ステップ２：ウェイト計算処理
ステップ３：下りリンク通信処理

【0046】

上記準備処理（ステップ０）では、ＨＡＰＳ１０が下りリンク通信を行うＨＡＰＳセル１００Ｃ内の全ＵＥ（全ユーザ）６１のチャネル状態情報（ＣＳＩ）を取得又は推定し、その取得結果又は推定結果に基づいて、各ＵＥ（各ユーザ）６１に対する無線リソースの割り当てを行う。例えば、図８に示すように、ＨＡＰＳセル１００Ｃに在圏するすべてのＵＥ６１を、各ＵＥ６１のＣＳＩに基づいて、Ｎｕ個のＵＥ（ユーザ）ごとにＫ個のグループに分割する。ここで、同一の無線リソースを割り当てる同一グループに属するＵＥ（ユーザ）は、例えばＨＡＰＳ１０からの方向が異なるように選択される。また、Ｎｕは、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行う際に同一の無線リソース（同一のＲＢ）に割り当てるＵＥ６１の数（無線リソースあたりのＵＥ数（ユーザ数））である。Ｎｕの値は、各無線リソースとも同数であってもよいし、無線リソースごとに異なってもよい。

【0047】

上記チャネル行列生成処理（ステップ１）では、例えば後述の方法により、各地上基地局３０（１），３０（２）の位置情報に基づいて、ＨＡＰＳ１０と各地上基地局３０（１），３０（２）との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳが生成される。

【0048】

上記ウェイト計算処理（ステップ２）では、例えば後述の複数の方法のいずれかにより、上記各地上基地局３０（１），３０（２）との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳと、後述の通信モデルに基づいて無線リソースごとに決定されるＵＥ（ＨＡＰＳユーザ）６１との間のチャネル行列Ｈとを用いて、各無線リソースにおいてビームフォーミング制御に用いるウェイト（以下「ＢＦウェイト」ともいう。）を計算する。

【0049】

上記下りリンク通信処理（ステップ３）では、上記ＢＦウェイトを用いて実施したビームフォーミング制御によって形成されるビームパターンの複数のビームにより、ＨＡＰＳセル１０内の各ＵＥ６１との間で下りリンク通信を行う。

【0050】

［チャネル行列Ｈ_ＢＳの生成］
上記ＨＡＰＳ１０と各地上基地局３０との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳは、例えば、ＨＡＰＳ１０自体の位置に関する位置情報を有するとともに、ＨＡＰＳ１０が地上基地局（基地局アンテナ）の位置に関する位置情報を有している又は当該位置を推定可能であることを前提として、例えば次のステップ１－１～１－２の手順で生成することができる。なお、ＨＡＰＳ１０が上空の所定位置に滞在する場合や一定の飛行ルートを周回飛行する場合は、生成したチャネル行列Ｈ_ＢＳを保存し、複数回の下りリンク通信のビームフォーミング制御で使いまわすようにしてもよい。

【0051】

ステップ１－１：チャネル行列Ｈ_ＢＳを次式（１）及び次式（２）で定義する。

【数1】

【数2】

【0052】

上記式（１）中の「Ｎ_ｂ」はヌルを向ける対象となる地上基地局の数であり、「Ｎ_ｔ」はアレーアンテナ（送信アンテナ）のアンテナ素子の総素子数である。また、上記式（２）はＨＡＰＳ１０と地上基地局ｂとの間のチャネルベクトルであり、当該チャネルベクトル中の「ｈ_{ＢＳ，ｂ，ｎ}」は、アレーアンテナの第ｎ素子と地上基地局ｂ（基地局アンテナ）との間のチャネル応答である。

【0053】

なお、上記式（１）等における

【数3】

は複素数全体の集合を表し、後述の式における

【数4】

は実数全体の集合を表す。

【0054】

ステップ１－２：ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナの全素子と地上基地局ｂとの間の直接波成分を、次式（３）で定義し、上記（２）式のチャネルベクトルｈ_ＢＳ，ｂとして用いる。

【数5】

【0055】

ここで、上記（３）中の「ρ_ｂ」は、地上基地局ｂにおける伝搬損失係数であり、例えば自由空間伝搬の場合は次式（４）で表される。式（４）中の「Ｄ_ｂ」はＨＡＰＳ１０と地上基地局ｂ（基地局アンテナ）との間の距離であり、「λ」は搬送波の波長である。

【数6】

【0056】

また、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナから見た地上基地局ｂ（基地局アンテナ）の方位角及び仰角をそれぞれφ及びθとしたとき、上記（３）中の位相回転ベクトル「ｄ_ｂ」及び素子利得ベクトル「ｇ_ｂ」はそれぞれ、次式（５）及び次式（６）で表される。式（５）中の「Ｄ_ｂ，ｎ」は、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナの第ｎ素子と地上基地局ｂ（基地局アンテナ）との間の距離である。式（６）中の「ｇ（θ_ｂ，ｎ，φ_ｂ，ｎ）」は仰角θ及び方位角φにおけるアレーアンテナの第ｎ素子の振幅応答を返す関数であり、「θ_ｂ，ｎ」は第ｎ素子から見た地上基地局ｂ（基地局アンテナ）の仰角であり、「φ_ｂ，ｎ」は第ｎ素子から見た地上基地局ｂ（基地局アンテナ）の方位角である。

【数7】

【数8】

【0057】

また、上記式（３）中の

【数9】

は、アダマール積の演算子である。

【0058】

［通信モデル］
上記ＨＡＰＳ１０とＵＥ（ＨＡＰＳユーザ）６１との間の下りリンク通信は、例えば次の通信モデルに基づいて無線リソースごとに個別にモデル化することができる。

【0059】

ある無線リソース（時間・周波数リソース，例えばリソースブロック（ＲＢ））に着目した場合の通信モデルにおいて、ＨＡＰＳ１０から送信される送信信号の送信シンボルベルトルｓは、次式（７）で表される。式（７）中の「ｓ_ｕ」は、ユーザｕのＵＥへ送信する変調シンボルであり、「Ｎｕ」は無線リソースあたりのＵＥ数（ユーザ数）である。

【数10】

【0060】

ここで、各変調シンボルの平均電力が次式（８）に示すように正規化されているとすると、送信電力は次式（９）の対角行列Ｐのみに依存する。

【数11】

【数12】

【0061】

上記式（８）中の「Ｅ［・］」はアンサンブル平均の演算子である。また、上記（９）式中の「ｐ_ｕ」はユーザｕのＵＥへの送信シンボルに割り当てる電力であり、総送信電力Ｐ_ｔとの間に次式（１０）の関係を有する。

【数13】

【0062】

ある無線リソース（時間・周波数リソース，例えばＲＢ）に着目した場合の通信モデルにおいて、ＨＡＰＳ１０と当該無線リソースが割り当てられた全ユーザｕのＵＥとの間の無線伝搬路のチャネル行列Ｈは、次式（１１）及び次式（１２）で表される。式（１２）のｈ_ｕは、ＨＡＰＳ１０とユーザｕのＵＥとの間のチャネルベクトルであり、式（１２）中のｈ_ｕ，ｎは、アレーアンテナの第ｎ素子とユーザｕのＵＥとの間のチャネル応答である。

【数14】

【数15】

【0063】

なお、上記式（７）～式（１２）は、ユーザｕのＵＥのアンテナの素子数が「１」の場合の例であるが、ユーザｕのＵＥのアンテナが複数の素子を有する場合にも適用可能である。

【0064】

図９は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０と同一無線リソースが割り当てられた複数のＵＥ６１（１）～６１（Ｎｕ）との間の下りリンク通信の通信モデルの一例を示す説明図である。図９において、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０のアレーアンテナ１３０から送信される送信信号ｓ（前述の式（７）参照）のベクトル（要素数：Ｎｕ×１）と、各ユーザｕのＵＥで受信される受信信号のベクトルｙ（要素数：Ｎｕ×１）との間に、次式（１３）が成り立つとする。式（１３）中の「Ｈ」は、前述の式（１１）及び式（１２）で表されるＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０とユーザｕのＵＥとの間のチャネル行列（要素数：Ｎｕ×Ｎｔ）である。また、式（１３）中の「Ｐ」は、前述の式（１１）及び式（１２）で表されるＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０から各ユーザｕのＵＥへ送信される送信信号の電力増幅に対応する送信電力行列（要素数：Ｎｕ×Ｎｕ）である。

【数16】

【0065】

上記式（１３）における当該無線リソースが割り当てられた全ユーザｕのＵＥの受信信号ベクトルｙは、次式（１４）で表される。式（１４）中のｙ_ｕは、ユーザｕのＵＥの受信信号である。

【数17】

【0066】

上記式（１３）におけるベクトル「ｎ」は、ユーザｕのＵＥにおける受信時に加算される雑音ベクトル（要素数：Ｎｕ×１）であり、次式（１５）で表される。式（１５）中のｎ_ｕは、ユーザｕのＵＥにおいて加算されるガウス性雑音である。

【数18】

【0067】

上記式（１３）におけるベクトル「Ｂ」は、下りリンク通信時に各ユーザｕのＵＥにビームを向けるためのＢＦウェイト行列（要素数：Ｎｔ×Ｎｕ）であり、次式（１６）及び次式（１７）で表される。式（１７）中の「ｂ_ｎ，ｕ」は、ユーザＵのＵＥに対してビームを向けるためにアレーアンテナ１３０の第ｎ素子に適用するＢＦウェイトである。

【数19】

【数20】

【0068】

なお、各ユーザＵのＵＥに対するビームフォーミング（ＢＦ）による電力増幅はないので、次式（１８）が成り立つ。

【数21】

［ビームフォーミング制御］
前述のＨＡＰＳ１０と各地上基地局３０との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳ（式（１）及び式（２）参照）と、前述のＨＡＰＳ１０とユーザｕのＵＥとの間のチャネル行列Ｈ（式（１２）及び式（１３）参照）とを生成した後、例えば次の（１）～（４）に例示する複数方式のいずれかによりビームフォーミング制御を行う。

【0069】

［方式１：ＺＦ型］
ＺＦ（ｚｅｒｏ－ｆｏｒｃｉｎｇ）型の方式１では、図１０に示すようにＨＡＰＳ１０に接続するＮｕユーザのＵＥそれぞれに向けたビームが互いに無干渉となるように（図中の実線の所望ビーム参照）、かつ、各ビームが各地上基地局に対しても無干渉となるように（図中の破線の干渉ビーム参照）、ビームフォーミングを行う。

【0070】

本方式１で用いるＢＦウェイトは、例えば次のステップ２（１）－１～２（１）－３の手順で生成することができる。

【0071】

ステップ２（１）－１：前述のＨＡＰＳユーザｕに対するチャネル行列Ｈと地上基地局ｂに対するチャネル行列Ｈ_ＢＳを用いて、地上基地局ｂを含めた拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸを、次式（１９）のように定義する。

【数22】

【0072】

ステップ２（１）－２：次式（２０）に示すように、拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸの擬似逆行列Ｗを算出する。

【数23】

【0073】

ステップ２（１）－３：次式（２１）に示すように、上記擬似逆行列Ｗの要素ｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎｕを列ごとに正規化することにより、ＢＦウェイト行列Ｂを得る。

【数24】

【0074】

［方式２：ＭＭＳＥ型］
ＭＭＳＥ（ｍｉｎｉｍｕｍ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ）型の方式２では、図１１に示すように地上基地局ｂも考慮してＨＡＰＳユーザｕのＳＩＮＲが最大となるように（図中の実線の所望ビーム及び破線の干渉ビーム参照）、ビームフォーミングを行う。

【0075】

本方式２で用いるＢＦウェイトは、例えば次のステップ２（２）－１～２（２）－３の手順で生成することができる。

【0076】

ステップ２（２）－１：前述のＨＡＰＳユーザｕに対するチャネル行列Ｈと地上基地局ｂに対するチャネル行列Ｈ_ＢＳを用いて、地上基地局ｂを含めた拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸを、次式（２２）のように定義する。

【数25】

【0077】

ステップ２（２）－２：次式（２３）及び次式（２４）に示すように、拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸの擬似逆行列Ｗを算出する際に、正則化項Ｒを加える。式（２４）中の「σ^２」は平均雑音電力であり、「Ｉ_{Ｎｕ＋Ｎｂ}」は、（Ｎｕ＋Ｎｂ）×（Ｎｕ＋Ｎｂ）の単位行列である。

【数26】

【数27】

【0078】

ステップ２（２）－３：次式（２５）に示すように、上記正則化項Ｒを加えた擬似逆行列Ｗの要素ｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎｕを列ごとに正規化することにより、ＢＦウェイト行列Ｂを得る。

【数28】

【0079】

［方式３：ハイブリッド型］
ハイブリッド型の方式３では、図１２に示すようにＨＡＰＳ１０に接続するＮｕユーザのＵＥそれぞれに向けたビームが各地上基地局ｂに対して無干渉となるような条件のもとで（図中の実線の所望ビーム参照）、ＨＡＰＳユーザｕのＵＥにおけるＳＩＮＲが最大となるように、ビームフォーミングを行う。

【0080】

本方式３で用いるＢＦウェイトは、例えば次のステップ２（３）－１～２（３）－３の手順で生成することができる。

【0081】

ステップ２（３）－１：前述のＨＡＰＳユーザｕに対するチャネル行列Ｈと地上基地局ｂに対するチャネル行列Ｈ_ＢＳを用いて、地上基地局ｂを含めた拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸを、次式（２６）のように定義する。

【数29】

【0082】

ステップ２（３）－２：次式（２７）及び次式（２８）に示すように、拡張チャネル行列Ｈ_ＥＸの擬似逆行列Ｗを算出する際に、正則化項Ｒを加える。

【数30】

【数31】

【0083】

ステップ２（３）－３：次式（２９）に示すように、上記正則化項Ｒを加えた擬似逆行列Ｗの要素ｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎｕを列ごとに正規化することにより、ＢＦウェイト行列Ｂを得る。

【数32】

【0084】

［方式４：セパレート型］
セパレート型の方式４では、地上基地局ｂに対するヌル形成とＨＡＰＳユーザｕへ向けたビーム形成をそれぞれ独立に行う。本方式４では、図１３に示すように地上基地局ｂに対してヌルが形成され、所望ビーム（図中の実線）については、任意のビームフォーミング方式を適用可能である。

【0085】

例えば、地上基地局ｂに対してヌルを形成するための第１ウェイト行列

【数33】

と、ＨＡＰＳユーザｕへビームを形成するための第２ウェイト行列

【数34】

を互いに独立に生成し、２つのウェイト行列Ｂ_ＮＵＬＬ及びＢ_ＢＦに基づいて次式（３０）に示すように全体のＢＦウェイト行列Ｂを得る。

【数35】

【0086】

なお、前述のようにＨＡＰＳ１０が上空の所定位置に滞在する場合や一定の飛行ルートを周回飛行する場合、本方式４で生成した第１ウェイト行列Ｂ_ＮＵＬＬは保存して、複数回の下りリンク通信のビームフォーミング制御で使いまわすようにしてもよい。

【0087】

本方式４で用いるＢＦウェイトは、例えば次のステップ２（４）－１～２（４）－２の手順で生成することができる。

【0088】

ステップ２（４）－１：次式（３１）を満たす第１ウェイト行列Ｂ_ＮＵＬＬを求める。

【数36】

【0089】

第１ウェイト行列Ｂ_ＮＵＬＬは前述のチャネル行列Ｈ_ＢＳのヌルスペースと呼ばれ、チャネル行列Ｈ_ＢＳを次式（３２）のように特異値分解した際に特異値０に対応する右特異ベクトルがチャネル行列Ｈ_ＢＳのヌルスペースとなる。

【数37】

【0090】

第１ウェイト行列Ｂ_ＮＵＬＬは、右特異行列Ｖの列ベクトルｖ_Ｎｂ＋１，・・・，ｖ_Ｎｔの中から任意のＭ個を選択し、それらを並べることで求まる。ここで、「Ｍ」は区間［Ｎｂ，Ｎｔ－Ｎｂ］の任意の整数である。

【0091】

ステップ２（４）－２：次式（３３）の行列を新たなチャネル行列とみなし、任意のＢＦアルゴリズムに基づいて、前述の第２ウェイト行列Ｂ_ＢＦを求める。

【数38】

【0092】

図１４は、実施形態のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０の主要構成の一例を示すブロック図である。図１４の中継通信局１１０は、基地局タイプの中継通信局の例である。中継通信局１１０は、サービスリンク用アンテナ部１１１と、送受信部１１２と、フィーダリンク用アンテナ部１１３と、送受信部１１４と、監視制御部１１６と、電源部１１７と、モデム部１１８と、基地局処理部１１９と、位置情報取得部１２０とを備える。

【0093】

サービスリンク用アンテナ部１１１は、地上（又は海上）に向けて放射状のビームを形成するアレーアンテナを有し、ＵＥ６１と通信可能な３次元セル１００Ｃを形成する。送受信部１１２は、サービスリンク用アンテナ部１１１とともに第一無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、サービスリンク用アンテナ部１１１を介して、３次元セル１００Ｃに在圏するＵＥ６１に無線信号を送信したりＵＥ６１から無線信号を受信したりする。

【0094】

サービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２は、アレーアンテナ１３０を介して複数のＵＥ６１のそれぞれから、ＵＥ６１を識別可能なアップリンク信号を受信するアップリンク（ＵＬ）受信部としても機能する。

【0095】

フィーダリンク用アンテナ部１１３は、地上（又は海上）のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、フィーダリンク用アンテナ部１１３とともに第二無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、フィーダリンク用アンテナ部１１３を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。

【0096】

監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。特に、監視制御部１１６は、制御プログラムを実行することにより、プロペラ１０３，２０２を駆動するモータ駆動部１４１を制御して、ＨＡＰＳ１０を目標位置へ移動させ、また、目標位置近辺に留まるように制御する。

【0097】

電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。

【0098】

モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィーダリンク用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィーダリンク用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。

【0099】

基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格又は第５世代などの次世代の標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行う機能（例えば、ｅ－ＮｏｄｅＢ、ｇ－ＮｏｄｅＢなどの機能）を有する。

【0100】

基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル１００Ｃに在圏するＵＥ６１からサービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、サービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル１００ＣのＵＥ６１に送信するベースバンド信号（ＩＱ信号）を生成する。

【0101】

位置情報取得部１２０は、例えばＨＡＰＳ１０に組み込んだＧＮＳＳ受信装置の出力に基づいて、ＨＡＰＳ１０の位置の情報を取得する。

【0102】

図１５は、図１４の中継通信局１１０における基地局処理部１１９の主要構成の一例を示すブロック図である。図１６は、図１５の基地局処理部１１９におけるフルデジタルＢＦの場合の無線リソース割り当ての一例を示す説明図である。図１５の構成例は、ＨＡＰＳセル１００Ｃに在圏するすべてのＵＥ６１をＮｕ個のＵＥ（ユーザ）ごとにＫ個のグループに分割し、各グループに異なる無線リソースを割り当て、無線リソースごとに行う前述の方式（１）～方式（３）のいずれかによるビームフォーミング制御を行う場合の構成例である。なお、図１５では、本実施形態に関係する主要構成のみが図示されており、ＵＥ６１との間の通信に必要な他の構成部分については図示が省略されている。

【0103】

図１５の基地局処理部１１９は、チャネル行列生成部１１９０と、複数（Ｋ）のデジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）と、複数の周波数／時間変換部１１９２とを備える。チャネル行列生成部１１９０は、位置情報取得部１２０で取得したＨＡＰＳ１０の現在位置の位置情報と、地上基地局（基地局アンテナ）３０の位置情報とに基づいて、ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳを生成する。

【0104】

図１５の構成例では、図１６に示すように無線リソースごとにチャネル行列（チャネル応答）Ｈ及びＢＦウェイトＢが異なるため、フルデジタルビームフォーミングの構成でのみ利用可能である。

【0105】

デジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）はそれぞれ、複数の無線リソース１～Ｋに対応するように設けられている。各デジタルビームフォーミング部１１９１（ｎ）は、対応する無線リソースｎについて、下りリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信における複数（Ｎｖ）のレイヤ（ストリーム）による送信シンボルに、前述の各ＵＥ６１に対するビームフォーミングと地上基地局（基地局アンテナ）３０へのヌル形成とを考慮したＢＦウェイトＢ^（ｎ）を適用し、周波数領域の送信信号を生成する。

【0106】

複数の周波数／時間変換部１１９２は、アレーアンテナ１３０のアンテナ素子ごとに設けられ、デジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）から受けた周波数領域の送信信号を時間領域の送信信号に変換し、電力増幅器などで構成されたアンテナ素子数と同数のＲＦチェーンに渡す。

【0107】

図１７は、図１４の中継通信局１１０における基地局処理部１１９の主要構成の他の例を示すブロック図である。図１８は、図１７の基地局処理部１１９におけるハイブリッドＢＦの場合の無線リソース割り当ての一例を示す説明図である。図１７の構成例は、ＨＡＰＳセル１００Ｃに在圏するすべてのＵＥ６１をＮｕ個のＵＥ（ユーザ）ごとにＫ個のグループに分割し、各グループに異なる無線リソースを割り当て、無線リソースごとに行う前述の方式（４）によるビームフォーミング制御を行う場合の構成例である。なお、図１７では、本実施形態に関係する主要構成のみが図示されており、ＵＥ６１との間の通信に必要な他の構成部分については図示が省略されている。

【0108】

図１７の基地局処理部１１９は、チャネル行列生成部１１９０と、複数（Ｋ）のデジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）と、複数の周波数／時間変換部１１９２と、各無線リソースに共通のアナログビームフォーミング部１１９３と、を備える。チャネル行列生成部１１９０は、位置情報取得部１２０で取得したＨＡＰＳ１０の現在位置の位置情報と、地上基地局（基地局アンテナ）３０の位置情報とに基づいて、ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０との間のチャネル行列Ｈ_ＢＳを生成する。

【0109】

図１７の構成例では、図１８に示すように無線リソースごとにユーザ（ＵＥ）との間のチャネル行列（チャネル応答）Ｈ及び各ユーザ（ＵＥ）にビームを向けるためのＢＦウェイトＢ_ＢＦは異なるが、地上基地局（基地局アンテナ）３０にヌルを向けるためのＢＦウェイトＢ_ＮＵＬＬは各無線リソースに共通である。従って、フルデジタルビームフォーミングの構成だけでなく、アナログ－デジタルを組み合わせたハイブリッドビームフォーミングの構成も利用可能である。

【0110】

デジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）はそれぞれ、複数の無線リソース１～Ｋに対応するように設けられている。各デジタルビームフォーミング部１１９１（ｎ）は、対応する無線リソースｎについて、下りリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信における複数（Ｎｖ）のレイヤ（ストリーム）による送信シンボルに、前述の各ＵＥ６１に対するビームフォーミングのみを考慮したＢＦウェイトＢ_ＢＦ ^（ｎ）を適用し、周波数領域の送信信号を生成する。

【0111】

複数の周波数／時間変換部１１９２は、アレーアンテナ１３０のアンテナ素子ごとに設けられ、デジタルビームフォーミング部１１９１（１）～１１９１（Ｋ）から受けた周波数領域の送信信号を所定数の時間領域の送信信号に変換し、電力増幅器などで構成された中間信号処理のＲＦチェーンに渡す。中間信号処理のＲＦチェーンの数は、前述の方式（４）において選択したＭ（＜Ｎｔ）と同数である。

【0112】

アナログビームフォーミング部１１９３は、地上基地局（基地局アンテナ）３０へのヌル形成を考慮したＢＦウェイトＢ_ＮＵＬＬを適用したビームフォーミング制御を行い、アンテナ素子数Ｎｔと同数の時間領域の送信信号を生成し、電力増幅器などで構成されたアンテナ素子数と同数のＲＦチェーンに渡す。

【0113】

以上、本実施形態によれば、上空のＨＡＰＳ１０から地上又は海上に向けて形成したセル１００Ｃ内に同一周波数帯を用いる地上基地局のアンテナで形成される地上セルが位置する場合に、ＨＡＰＳ１０から地上セル（地上基地局３０及びその地上基地局に接続するＵＥ６５）への干渉を抑圧することができる。

【0114】

なお、上記実施形態では、ＨＡＰＳ１０からのビームの干渉を抑圧する干渉抑圧対象が、地上セル（地上基地局３０及びその地上基地局に接続するＵＥ６５）である場合について説明したが、上記干渉抑圧対象は上記地上セルに限定されるものではない。

【0115】

例えば、上記実施形態で説明したＨＡＰＳ１０からからのビームの干渉を抑圧する干渉抑圧技術は、上記干渉抑圧対象が電波天文観測局である場合に適用することができる。電波天文観測局における電波天文業務で利用される周波数帯域の干渉保護規制として、非常に厳しい電力制限が課されている。ＨＡＰＳ１０が電波天文業務で利用される周波数帯域に隣接するもしくは近い帯域を利用している場合、ＨＡＰＳ１０が利用する帯域外への不要発射（スプリアス）により、上記電力制限基準を満たさない可能性がある。そこで、上記実施形態の干渉抑圧技術を利用して、電波天文観測局のアンテナの位置に対して常にＨＡＰＳ１０からのヌルを向けることで、電波天文観測局に対するＨＡＰＳ１０からの干渉を抑制できる。

【0116】

なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ１０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（ＵＥ：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。

【0117】

ハードウェア実装については、実体（例えば、中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、中継通信局装置、端末装置（ＵＥ：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・アレー（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。

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【符号の説明】

【0121】

１０ ：ＨＡＰＳセル
３０ ：地上基地局
８０ ：移動通信網
１００Ａ ：サービスエリア
１００Ｂ ：ビーム
１００Ｃ ：ＨＡＰＳセル（３次元セル）
１００Ｆ ：フットプリント
１１０ ：中継通信局
１１９ ：基地局処理部
１２０ ：位置情報取得部
１３０ ：アレーアンテナ
１３０ａ ：アンテナ素子
３００Ｃ ：地上セル
１１９０ ：チャネル行列生成部
１１９１ ：デジタルビームフォーミング部
１１９２ ：周波数／時間変換部
１１９３ ：アナログビームフォーミング部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】