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特許7170690ＨＡＰＳのマルチフィーダリンクにおけるアンテナ切り替え時の処理遅延における干渉低減性能低下の緩和
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-04
(45)【発行日】2022-11-14
(54)【発明の名称】ＨＡＰＳのマルチフィーダリンクにおけるアンテナ切り替え時の処理遅延における干渉低減性能低下の緩和
(51)【国際特許分類】
H04B 7/06 20060101AFI20221107BHJP
H04B 7/15 20060101ALI20221107BHJP
H04W 84/06 20090101ALI20221107BHJP
H04W 16/28 20090101ALI20221107BHJP
H04B 7/0456 20170101ALI20221107BHJP
【ＦＩ】
H04B7/06 950
H04B7/15
H04W84/06
H04W16/28
H04B7/0456 110
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020125096
(22)【出願日】2020-07-22
(65)【公開番号】P2022021500
(43)【公開日】2022-02-03
【審査請求日】2022-03-17
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】318002806
【氏名又は名称】ＨＡＰＳモバイル株式会社
(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】藤井 隆史
【審査官】齊藤 晶
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－０３６１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０８０４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９９４２８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ ７／０６
Ｈ０４Ｂ ７／１５
Ｈ０４Ｗ ８４／０６
Ｈ０４Ｗ １６／２８
Ｈ０４Ｂ ７／０４５６
ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と、互いに時間同期され前記空中滞在型の通信中継装置の前記中継通信局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局と、を備えるシステムであって、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算し、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果を記憶する手段と、
前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択する手段と、
前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧する手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項2】
請求項１のシステムにおいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれの指向性ビームの角度を変化させてフィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を追尾する手段と、
前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つの前記指向性ビームの角度の変化量が所定の閾値よりも大きくなったときに、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれが通信する前記フィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を切り替える手段と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項3】
請求項１又は２のシステムにおいて、前記複数の組み合わせパターンのそれぞれについて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答を推定し、前記複数の伝搬路応答に基づいて前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算することを特徴とするシステム。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれかのシステムにおいて、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれから前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧することを特徴とするシステム。
【請求項5】
請求項１乃至４のいずれかのシステムにおいて、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧することを特徴とするシステム。
【請求項6】
空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局であって、互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するフィーダリンク通信部と、
前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部と、を備え、
前記干渉抑圧部は、
前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算し、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果を記憶し、
前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択し、
前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧する、ことを特徴とする中継通信局。
【請求項7】
請求項６の中継通信局において、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれの指向性ビームの角度を変化させてフィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を追尾する手段と、
前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つの前記指向性ビームの角度の変化量が所定の閾値よりも大きくなったときに、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれが通信する前記フィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を切り替える手段と、を備えることを特徴とする中継通信局。
【請求項8】
請求項６又は７の中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記複数の組み合わせパターンのそれぞれについて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答を推定し、前記複数の伝搬路応答に基づいて前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算することを特徴とする中継通信局。
【請求項9】
請求項６乃至８のいずれかの中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれから前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧することを特徴とする中継通信局。
【請求項10】
請求項６乃至９のいずれかの中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧することを特徴とする中継通信局。
【請求項11】
請求項６乃至１０のいずれかの中継通信局を有することを特徴とする空中滞在型の通信中継装置。
【請求項12】
空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局と、同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間におけるフィーダリンクの干渉抑圧方法であって、前記空中滞在型の通信中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算し、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果を記憶することと、
前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択することと、
前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧することと、を含むことを特徴とする干渉抑圧方法。
【請求項13】
空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局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、前記空中滞在型の通信中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算し、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果を記憶するためのプログラムコードと、
前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンに対する複数のウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択するためのプログラムコードと、
前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのプログラムコードと、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、３次元化ネットワークの構築に適したＨＡＰＳ等の空中浮揚型の無線中継装置のマルチフィーダリンクにおけるアンテナ切り替え時の処理遅延における干渉低減性能低下の緩和に関するものである。
【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。）等の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この空中浮揚型の通信中継装置における通信回線は、その通信中継装置と移動通信網側のゲートウェイ（ＧＷ）局との間のフィーダリンクと、通信中継装置と端末装置との間のサービスリンクとで構成される。
【0003】
本出願人は、空中浮揚型の通信中継装置（以下「上空中継装置」という。）のフィーダリンクの周波数有効利用の向上を図ることができる通信システムを提案した（特許文献２参照）。この通信システムは、上空中継装置との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する空間分割多重通信を行う複数のゲートウェイ局を備える。この通信システムによれば、上空中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局との位置関係に基づいてウェイトを計算し、計算したウェイトを用いることにより上空中継装置と複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンク通信において複数のフィーダリンク間の干渉を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書
【文献】特開２０２０－０３６１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者は上記通信システムにおけるフィーダリンク間の干渉低減性能について鋭気研究した結果、次のような更に改善すべき課題があることがわかった。すなわち、上空で回転及び移動する上空中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局のアンテナとの組み合わせが変化したとき、ウェイトを用いた複数のフィーダリンク間の干渉低減性能が低下するおそれがあることがわかった。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様に係るシステムは、端末装置の無線通信を中継する中継通信局と複数のフィーダリンク用アンテナとを有する空中滞在型の通信中継装置と、互いに時間同期され前記空中滞在型の通信中継装置の前記中継通信局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のゲートウェイ局と、を備えるシステムである。このシステムは、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算して記憶する手段と、前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンのウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択する手段と、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧する手段と、を備える。
【0007】
前記システムにおいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれの指向性ビームの角度を変化させてフィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を追尾する手段と、前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つの前記指向性ビームの角度の変化量が所定の閾値よりも大きくなったときに、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれが通信する前記フィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を切り替える手段と、を備えてもよい。
【0008】
前記システムにおいて、前記複数の組み合わせパターンのそれぞれについて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答を推定し、前記複数の伝搬路応答に基づいて前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算してもよい。
【0009】
前記システムにおいて、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれから前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧してもよい。
【0010】
前記システムにおいて、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧してもよい。
【0011】
本発明の他の態様に係る中継通信局は、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局である。この中継通信局は、互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信するフィーダリンク通信部と、前記複数のゲートウェイ局との間に形成する複数のフィーダリンク間の干渉を抑圧する干渉抑圧部と、を備える。前記干渉抑圧部は、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算して記憶し、前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンのウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択し、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧する。
【0012】
前記中継通信局において、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれの指向性ビームの角度を変化させてフィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を追尾する手段と、前記複数のフィーダリンク用アンテナの少なくとも一つの前記指向性ビームの角度の変化量が所定の閾値よりも大きくなったときに、前記複数のフィーダリンク用アンテナそれぞれが通信する前記フィーダリンクの通信先のゲートウェイ局を切り替える手段と、を備えてもよい。
【0013】
前記中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記複数の組み合わせパターンのそれぞれについて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間で送受信される複数のパイロット信号の受信結果に基づいて、前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との間の伝搬路応答を推定し、前記複数の伝搬路応答に基づいて前記複数のゲートウェイ局それぞれに対応する複数のウェイトを計算してもよい。
【0014】
前記中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記複数のゲートウェイ局それぞれから前記中継通信局に中継信号を送信する複数のフォワードリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧してもよい。
【0015】
前記中継通信局において、前記干渉抑圧部は、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局から前記複数のゲートウェイ局それぞれに中継信号を送信する複数のリバースリンクにおけるフィーダリンク間の干渉を抑圧してもよい。
【0016】
本発明の更に他の態様に係る空中滞在型の通信中継装置は、前記いずれかの中継通信局を有する。
【0017】
本発明の更に他の態様に係る干渉抑圧方法は、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局と、同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する互いに時間同期された複数のゲートウェイ局との間におけるフィーダリンクの干渉抑圧方法である。この干渉抑圧方法は、前記空中滞在型の通信中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算して記憶することと、前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンのウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択することと、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧することと、を含む。
【0018】
本発明の更に他の態様に係るプログラムは、空中滞在型の通信中継装置に組み込まれ端末装置の無線通信を中継する中継通信局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、前記空中滞在型の通信中継装置の複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との複数の組み合わせパターンのそれぞれについてフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのウェイトを計算して記憶するためのプログラムコードと、前記空中滞在型の通信中継装置の回転及び移動の少なくとも一方により前記複数のフィーダリンク用アンテナと前記複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したとき、前記複数の組み合わせパターンのウェイトの計算結果から、前記変化後の組み合わせに対応する前記組み合わせパターンのウェイトの計算結果を選択するためのプログラムコードと、前記選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果に基づいて、前記中継通信局と前記複数のゲートウェイ局との間で中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧するためのプログラムコードと、を含む。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置に搭載した複数のフィーダリンク用アンテナと複数のゲートウェイ局との組み合わせが変化したときに、変化後の組み合わせパターンに対応するウェイトを計算する必要がないため、ウェイト処理遅延によるマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の低下を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳのセル構成の一例を示す説明図。
【図2】（ａ）は実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図。（ｂ）はＨＡＰＳの複数のフィーダリンク用アンテナと複数のＧＷ局との関係を上方から見た説明図。
【図3】実施形態に係る複数のＧＷ局のＧＷアンテナがＨＡＰＳを追尾する様子の一例を示す説明図。
【図4】実施形態に係る複数のＧＷ局のＧＷアンテナがＨＡＰＳを追尾する様子の他の例を示す説明図。
【図5】実施形態に係るＨＡＰＳの複数のＦＬアンテナの指向性ビームの一例を示す説明図。
【図6】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の一例を示す説明図。
【図7】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の他の例を示す説明図。
【図8】実施形態に係るＨＡＰＳにおけるＦＬアンテナの指向性ビーム制御の更に他の例を示す説明図。
【図9】複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク干渉の一例の説明図。
【図10】複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のリバースリンク干渉の一例の説明図。
【図11】ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図。
【図12】実施形態に係る複数ＧＷシステムのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ側（受信側）に設けたフォワードリンクの干渉キャンセラー部の概略構成の一例を示す説明図。
【図13】ＺＦ法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図。
【図14】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるフィーダリンクの伝搬路応答Ｈの一例を示す説明図。
【図15】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおける基準経路長の一例を示す説明図。
【図18】各ＧＷ局から送信される上り回線の送信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図。
【図19】ＨＡＰＳで受信された上り回線の受信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図。
【図20】伝搬路応答の導出に用いられるパイロット信号の一例を示す説明図。
【図21】フィーダリンクの伝搬路応答の導出モデルの一例を示す説明図。
【図22】（ａ）～（ｃ）は実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳの機体回転時のＦＬアンテナによるＧＷ局の追尾及びＦＬアンテナとＧＷ局との組み合わせを切り替えるアンテナ切り替えの一例を示す説明図。
【図23】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳのＦＬアンテナとＧＷ局との第１の組み合わせパターン（パターンＡ）及びそのパターンＡにおけるウェイトの計算で定義される基準経路の一例を示す説明図。
【図24】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳのＦＬアンテナとＧＷ局との第２の組み合わせパターン（パターンＢ）及びそのパターンＢにおけるウェイトの計算で定義される基準経路の一例を示す説明図。
【図25】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳのＦＬアンテナとＧＷ局との第３の組み合わせパターン（パターンＣ）及びそのパターンＣにおけるウェイトの計算で定義される基準経路の一例を示す説明図。
【図26】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおいてＨＡＰＳの機体回転中にアンテナ切り替えを行わない場合のマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の時間変化の一例を示すグラフ。
【図27】実施形態に係る複数ＧＷシステムにおいてＨＡＰＳの機体回転中にアンテナ切り替えを行う場合のマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の時間変化の一例を示すグラフ。
【図28】実施形態に係る複数ＧＷシステムのパターンＡからパターンＢへのアンテナ切り替え時におけるウェイト（Ｗ）テーブルの選択・切り替えの一例を示す説明図。
【図29】実施形態に係るＨＡＰＳの中継通信局の主要構成の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳ２０のセル構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムにおけるＨＡＰＳ２０のセル構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。
【0022】
図１に示すように、通信システムは、複数の空中浮揚型の通信中継装置（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」、「成層圏プラットフォーム」ともいう。）２０を備えている。ＨＡＰＳ２０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。ＨＡＰＳ２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体としての飛行船に、中継通信局２１が搭載されたものである。
【0023】
ＨＡＰＳ２０の位置する空域は、例えば、地上（又は海や湖などの水上）の高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。
【0024】
本実施形態の通信システムにおける１又は２以上のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域であるセル形成目標空域は、ＨＡＰＳ２０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。
【0025】
なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、ＨＡＰＳ２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置６１との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。
【0026】
ＨＡＰＳ２０の中継通信局はそれぞれ、サービスリンク用アンテナ（以下「ＳＬアンテナ」という。）２１５により、移動局である端末装置６１と無線通信するための複数のビームを地面に向けて形成する。端末装置６１は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローンに組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セルである。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。
【0027】
ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１はそれぞれ、例えば、地上（又は海上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上）側の基地局に接続された中継局としてのフィーダ局（リピータ親機）７０と無線通信するリピータ子機である。
【0028】
ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、フィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）２１１により無線通信可能な地上又は海上に設置されたフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。ＨＡＰＳ２０とフィーダ局７０との間のフィーダリンクの通信は、マイクロ波又はミリ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。
【0029】
ＨＡＰＳ２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。
【0030】
また、ＨＡＰＳ２０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理は、移動通信網の通信センター等に設けられた管理装置としての管理装置（「遠隔制御装置」ともいう。）によって制御できるようにしてもよい。管理装置は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。この場合、ＨＡＰＳ２０は、管理装置からの制御情報を受信したり管理装置に監視情報などの各種情報を送信したりできるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、管理装置８ら識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。
【0031】
また、ＨＡＰＳ２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理に関する情報、ＨＡＰＳ２０の状態に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの監視情報を、管理装置等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、ＨＡＰＳの目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、ＨＡＰＳ２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、ＨＡＰＳ２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、ＨＡＰＳ２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。
【0032】
中継通信局２１と端末装置６１との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局２１と端末装置６１との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ－ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
【0033】
なお、以下の実施形態では、端末装置６１と無線通信する中継通信局２１を有する通信中継装置が、無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０の場合について図示して説明するが、通信中継装置はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳであってもよい。また、以下の実施形態は、ＨＡＰＳ以外の他の空中浮揚型の通信中継装置にも同様に適用できる。
【0034】
また、ＨＡＰＳ２０とフィーダ局としてのゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」と略す。）７０を介した基地局９０との間のリンクを「フィーダリンク」といい、ＨＡＰＳ１０と端末装置６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ２０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１からＨＡＰＳ２０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」ともいう。
【0035】
図１において、通信中継装置は無人飛行船タイプのＨＡＰＳ２０であるが、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳあってもよい。また、図示の例において、ＨＡＰＳ２０の高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、ＨＡＰＳ２０が複数のセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）を形成し、その複数セル（７セル）構成のセル２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７）のフットプリント２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７）からなるサービスエリア２０Ａの直径は１００～２００ｋｍであるが、これらに限定されるものではない。
【0036】
図１において、成層圏に位置するＨＡＰＳ２０を用いた地上（又は水上）の端末装置６１と直接通信する通信サービスは、サービスエリアの拡大、災害時の通信手段として非常に魅力的である。ＨＡＰＳ２０の通信回線はＧＷ局７０とＨＡＰＳ２０との間を結ぶフィーダリンクＦＬと、ＨＡＰＳ２０と端末装置６１との間を結ぶサービスリンクＳＬから成る。サービスリンクの通信容量はその中継周波数であるフィーダリンクの通信容量で決まることから、フィーダリンクの周波数利用効率を高める必要がある。特に図１に示すようにサービスリンクが多セル構成になった場合はフィーダリンクの通信容量が不足しやすくなるため、フィーダリンクの周波数有効利用技術が不可欠である。しかしながら、ＨＡＰＳ２０とＧＷ局７０を一対一で構成した場合、フィーダリンクの周波数利用効率を高めることが難しい。
【0037】
そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０との間の周波数分割複信（ＦＤＤ）方式のフィーダリンクにおいて同一周波数で互いに異なる中継信号を送受信する複数のＧＷ局を備え、一つのＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間に形成したマルチフィーダリンクにおいて空間分割多重通信を行う複数ゲートウェイシステム（以下「複数ＧＷシステム」ともいう。）を構築している。この複数ＧＷシステムでは、複数のフィーダリンク間の干渉を除去することにより、設置するＧＷ局の数の分だけ周波数利用効率を向上できる。
【0038】
なお、以下の実施形態では、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局との間の空間分割多重通信をフィーダリンクのフォワードリンクのみで行う場合について説明するが、当該空間分割多重通信は、フィーダリンクのリバースリンクのみで行ってもよいし、フォワードリンクとリバースリンクの両方で行うようにしてもよい。
【0039】
図２（ａ）は実施形態に係る複数ＧＷシステムの概略構成の一例を示す側面図であり、図２（ｂ）はＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との関係を上方から見た説明図である。図示の例では、ＦＬアンテナの数（Ｎ）及びＧＷ局の数（Ｎ）はそれぞれ同数（図示の例では３）であり、同数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）及びＧＷ局７０（１）～７０（３）を互いに１対１で対応させて設けている。また、ＦＬアンテナ２１１及びＧＷ局７０の組数は２組でもよいし、４組以上であってもよい。また、図示の例では複数のＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０からの距離及びＧＷ局間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方は互いに異ならせてもよい。各ＧＷ局７０は、ＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（「ＨＡＰＳ局アンテナ」ともいう。）の受信する複素振幅が無相関となるように配置する。また、ＧＷ局７０（１）～７０（３）のフィーダリンク用アンテナ（以下「ＧＷアンテナ」という。）７１（１）～７１（３）は互いに直交する垂直偏波（Ｖ）及び水平偏波（Ｈ）の２偏波で送受信可能である。また、図示の例ではＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）は、ＨＡＰＳ２０の中心からの距離及びＦＬアンテナ間の間隔が互いに等しくなるように配置されているが、当該距離及び当該間隔の少なくとも一方はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。例えば、当該距離及び当該間隔はＦＬアンテナ間で互いに異ならせてもよい。
【0040】
また、図３に示すように、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）はそれぞれ、空中で移動するＨＡＰＳ２０を追尾するようにＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。図中の破線のＨＡＰＳ２０’は移動前の位置を示し、図中の実線のＨＡＰＳ２０は移動後の位置を示している。ＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。
【0041】
また、図４に示すように、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）はそれぞれ、空中で旋回して移動（旋回飛行）するＨＡＰＳ２０を追尾するようにＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。図中の破線のＨＡＰＳ２０’は旋回移動前の位置を示し、図中の実線のＨＡＰＳ２０は旋回移動後の位置を示している。ＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）それぞれがＨＡＰＳ２０を追尾することにより、パラボラアンテナなどの高い指向性を有するＧＷアンテナ７１（１）～７１（３）を用いた場合でも、ＨＡＰＳ２０の旋回移動によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。
【0042】
また、図５に示すように、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）はそれぞれ、ＧＷ局７０（１）～７０（３）に対応するアンテナ指向性ビーム（以下「指向性ビーム」又は「ビーム」という。）２１２（１）～２１２（３）を有し、ＨＡＰＳ２０は、複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くようにＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を制御するアンテナ制御部を備えてもよい。ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）はそれぞれ、例えば、自身に最も対向しているＧＷ局７０の方向を向き、その他のＧＷ局には干渉を与えないように、すなわち、主ビームの利得と反対方向の利得の比（Ｆ／Ｂ）が十分に大きくなるように形成される。これにより、ＨＡＰＳ２０が移動したり回転したりした場合もで、そのＨＡＰＳ２０の移動及び回転によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制できる。
【0043】
ＨＡＰＳ２０のアンテナ制御部による複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）の制御方式としては、ジンバル方式、電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）、電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）など、各種の方式を用いることができる。
【0044】
例えば、図６のジンバル方式では、ＨＡＰＳ２０の上下方向の軸（ヨーイング軸、Ｚ軸）を中心とした回転（旋回）に応じて、その軸を中心として複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の全体を機械的に回転駆動制御可能である。例えば、図６において、ＨＡＰＳ２０が左回転方向Ｒｂに約４５度回転すると、その回転方向とは逆の右回転方向Ｒａに複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の全体を機械的に回転駆動させる。
【0045】
各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の角度調整の回転駆動制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルの値を参照して各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。例えば、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を小刻みに回転させ、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行う。ここで、各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へのＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御を行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。各また、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向に指向性ビームが向くように各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を回転駆動制御してもよい。
【0046】
なお、図６では各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の水平方向の角度調整について示しているが、垂直方向についても同様に角度調整を行ってもよい。
【0047】
上記ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の回転駆動制御により、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。
【0048】
また、図７の電気方式（３６０度のビームフォーミング制御方式）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１３ａを円周形状に沿って配置したサーキュラーアレイアンテナ２１３を備える。そして、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数のアンテナ素子２１３ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御する。例えば、ＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢の情報は、ＨＡＰＳ２０に組み込んだＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムと慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とを組み合わせたＧＮＳＳ慣性航法システム（ＧＮＳＳ／ＩＮＳ）の出力に基づいて取得してもよい。
【0049】
上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの受信レベルの値を参照し、各ＧＷ局に対応する位置で最大の受信レベルとなる指向性ビームを形成するように、各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行ってもよい。例えば、サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａの位相を小刻みに変化させ、受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度方向にビームが形成されるように各各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御を行う。また、サーキュラーアレイアンテナ２１３から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成してもよい。
【0050】
なお、図７では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。
【0051】
上記サーキュラーアレイアンテナ２１３の各アンテナ素子２１３ａのウェイトの制御により、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）を形成する。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。
【0052】
図８の電気方式（角度限定のビームフォーミング制御方式＋アンテナ切替）では、ＦＬアンテナとして、複数のアンテナ素子２１４ａを平面状に２次元配置した複数の平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を備える。そして、ＧＮＳＳ／ＩＮＳなどによって取得されたＨＡＰＳ２０の位置及び姿勢情報に基づいて、複数の平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の複数のアンテナ素子２１４ａそれぞれを介して送受信される信号（振幅、位相）に適用するウェイトを制御するビームフォーミング制御を行う。
【0053】
上記平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御は、ＨＡＰＳの位置や姿勢の情報を参照して行ってもよいが、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルの値を参照し、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）が最大の受信レベルとなるようにアンテナ切り替えとビームフォーミングの制御を行ってもよい。例えば、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を小刻みに回転させ、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルが最大となるような角度を見つけ、その角度に向くように各の回転駆動制御を行う。ここで、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の受信レベルそれぞれに閾値を設定し、その値を下回ったときに、平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替えを行うとともに、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）を既定の角度回転させ、上記受信レベルが最大となる角度へビームを形成するビームフォーミングを行ってもよい。上記受信レベルの閾値は例えば予め実験により求め、上記既定の角度は例えば３６０度／ＦＬアンテナ数（図示の例では１２０度）であってもよい。また、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）から対応するＧＷ局以外からの受信レベルを比較するためのモニタリングビームを作り、各平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）が最大レベルとなるＧＷ局を選択し、その方向にビームを形成するようにアンテナ切り替えとビームフォーミングを行ってもよい。
【0054】
なお、図８では水平方向のビーム角度調整について示しているが、垂直方向についても同様にビーム角度調整を行ってもよい。
【0055】
上記平面アレイアンテナ２１４（１）～２１４（３）の切り替え及びビームフォーミングの制御により、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれの方向に向く指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）を形成する。ここで、例えば、平面アレイアンテナ２１４（１）の平面に垂直な法線方向に対して指向性ビーム２１２（１）が傾いている角度（図中のθ）が予め設定した所定角度θｔｈ度よりも大きくなったときに、ＧＷ局７０（１）に対応するＦＬアンテナを平面アレイアンテナ２１４（２）に切り替える。これにより、ＨＡＰＳ２０が回転しても、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム２１２（１）～２１２（３）がそれぞれ対応するＧＷ局７０（１）～７０（３）の方向に向くので、フィーダリンクの通信品質の低下を防止できる。
【0056】
上記構成の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク及びリバースリンクの少なくとも一方における干渉が大きくなるおそれがある。例えば、図９に示すように、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号（所望信号）Ｓ１がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で受信されているときに、他のＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された信号が干渉信号Ｉ２，Ｉ３としてＦＬアンテナ２１１（１）で受信される。そのため、フィーダリンクのＳＩＮＲ特性が悪化するおそれがある。また、図１０に示すように、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）から送信された希望信号（所望信号）Ｓ１がＧＷ局７０（１）で受信されているときに、ＨＡＰＳ２０の他のＦＬアンテナ２１１（２），２１１（３）から送信された信号が干渉信号Ｉ２，Ｉ３としてＧＷ局７０（１）で受信される。そのため、フィーダリンク（リバースリンク）のＳＩＮＲ特性が悪化するおそれがある。
【0057】
そこで、本実施形態では、以下に示すように見通し環境（ＬＯＳ：Line-Of-Sight）対応のＭＩＭＯ干渉キャンセラーをＧＷ局間（フィーダリンク間）に適用し、ＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンク及びリバースリンクの干渉を低減することにより、フィーダリンク（フォワード、リバースリンク）のＳＩＮＲ特性を向上させている。
【0058】
まず、本実施形態の複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局間（フィーダリンク間）のフォワードリンクの干渉を低減する構成及び方法について説明する。
【0059】
［ＨＡＰＳ側（送信側）のフォワードリンクのＭＩＭＯ干渉キャンセラー（受信干渉キャンセラー）］
図１１は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。図１２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ側（送信側）に設けたフォワードリンクの干渉キャンセラー部２２０の概略構成の一例を示す説明図。ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）は、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号Ｓ１（Ｙ１１）と、ＧＷ局７０（２）から送信された干渉信号Ｉ２（Ｙ１２）と、ＧＷ局７０（３）から送信された干渉信号Ｉ３（Ｙ１３）とを受信する。その受信信号ＡＮ１は、次式（１）で表される。
図１１は、ウェイトＷを近似式で求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。図１２は、実施形態に係る複数ＧＷシステムのマルチフィーダリンクにおけるＨＡＰＳ側（送信側）に設けたフォワードリンクの干渉キャンセラー部２２０の概略構成の一例を示す説明図。ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）は、ＧＷ局７０（１）から送信された希望信号Ｓ１（Ｙ１１）と、ＧＷ局７０（２）から送信された干渉信号Ｉ２（Ｙ１２）と、ＧＷ局７０（３）から送信された干渉信号Ｉ３（Ｙ１３）とを受信する。その受信信号ＡＮ１は、次式（１）で表される。
【0060】
【数1】
【0061】
ＨＡＰＳ２０の干渉キャンセラー部２２０では、次式（２）に示すように他のＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）で受信された信号Ｓ２，Ｓ３にそれぞれ対応するウェイトＷ２，Ｗ３を掛け、減算することにより、上記干渉信号Ｉ２，Ｉ３をキャンセルした希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力することができる。ＧＷ局７０（２），７０（３）から送信された希望信号Ｓ２（Ｙ２２）及びＳ３（Ｙ３３）についても同様に他のＧＷ局からの干渉信号をキャンセルすることができる。
【0062】
【数2】
【0063】
図１３は、ＺＦ（Zero-Forcing）法によりウェイトＷを求めて適用したＭＩＭＯ干渉キャンセラーの一例を示す説明図である。例えばＧＷ局７０（１）から送信された信号は、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）で希望信号Ｓ１（Ｙ１１）として受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ１（Ｙ１２），Ｉ１'（Ｙ１３）としてＦＬアンテナ２１１（２）及び２１１（３）に受信される。更に、ＧＷ局７０（２）から送信された信号は、干渉信号Ｉ２（Ｙ２１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ２'（Ｙ２３）としてＦＬアンテナ２１１（３）に受信される。更に、ＧＷ局７０（３）から送信された信号は、干渉信号Ｉ３（Ｙ３１）としてＦＬアンテナ２１１（１）に受信されるだけでなく、干渉信号Ｉ３'（Ｙ３２）としてＦＬアンテナ２１１（２）に受信される。図１３のＭＩＭＯ干渉キャンセラーでは、これらの干渉信号Ｉ１，Ｉ１'，Ｉ２'及びＩ３'を考慮し、例えば次式（３）に示すように希望信号Ｓ１（Ｙ１１）を出力する。これにより、ＧＷ局間（フィーダリンク間）の干渉抑圧の精度を高めることができる。
【0064】
【数3】
【0065】
上記ＭＩＭＯ干渉キャンセラーに用いるウェイトＷを計算するには、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の伝搬路応答Ｈ（図１４参照）を把握する必要がある。特に、本実施形態の複数ＧＷシステムでは、ＧＷ局７０（１）～７０（３）に対してＨＡＰＳ２０の機体が相対的に動くため、その動きに応じて伝搬路応答Ｈも変化する。
【0066】
次式（４）は、図１４に示す複数ＧＷシステムにおけるＧＷ局７０（１）～７０（３）のアンテナとＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の伝搬路の伝搬路応答Ｈの一例を示している。ＧＷ局７０（１）～７０（３）のアンテナはそれぞれ希望信号（所望信号）ｓ１，ｓ２，ｓ３を送信し、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）はＧＷ局７０（１）～７０（３）からの電波を受信して受信信号ｙ１，ｙ２，ｙ３を出力する。
【0067】
【数4】
【0068】
次式（５）は伝搬路応答Ｈ中の行列要素を示している。式（５）中の｜ｈｉｊ｜は、第ｉ番目のＧＷ局７０（ｉ）のアンテナから送信されＨＡＰＳ２０の第ｊ番目のＦＬアンテナ２１１（ｊ）で受信された信号の受信信号レベルに対応する。また、式（５）中のｄｉｊは、ＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＨＡＰＳ２０の第ｊ番目のＦＬアンテナ２１１（ｊ）との間の経路長（図９参照）である。式（５）中の「ｆ」及び「ｃ」はそれぞれ、送受信される信号の周波数及び速度（＝光速）である。
【0069】
【数5】
【0070】
上記式（４）及び式（５）に示すように、伝搬路応答Ｈを推定するには、ＧＷ局７０（ｉ）とＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（ｊ）との間の経路長ｄｉｊを把握する必要がある。各経路長ｄｉｊを把握するのは困難である。そこで、本実施形態では、各経路長ｄｉｊを把握するのではなく、複数ＧＷシステムのフィーダリンクにおいて希望信号の送受信するアンテナ間の経路長を基準経路長ｄｓとし、他のアンテナ間の経路長を基準経路長ｄｓ及び経路差Δｄで表し、経路差Δｄを求めることで基準となる基準経路成分からなる伝搬路応答（以下「基準伝搬路応答」ともいう。）に対する経路差成分からなる相対的な伝搬路応答（以下「相対伝搬路応答」ともいう。）を推定している。
【0071】
例えば、図１５の複数ＧＷシステムのフィーダリンクでは、ＧＷ局７０（１）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）に希望信号を送信し、ＧＷ局７０（２）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（２）に希望信号を送信し、ＧＷ局７０（３）がＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（３）に希望信号を送信している。従って、ＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（ｉ）の間の３つの経路長ｄｉｉ（ｉ＝１，２，３）それぞれが基準経路長であり、他のＧＷ局７０（ｉ）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（ｊ）の間の経路長ｄｉｊ（ｉ≠ｊ）はそれぞれ、基準経路長ｄｉｉ（ｉ＝１，２，３）と経路差Δｄｉｊ（ｉ≠ｊ）との和で表すことができる。
【0072】
例えば、第１番目のＧＷ局７０（１）から送信した信号をＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）で受信する伝搬路の場合、ＧＷ局７０（１）のアンテナとＨＡＰＳ２０の各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）との間の経路長ｄ１１、ｄ２１、ｄ３１（図１６参照）を直接把握するのは困難である。希望信号を送受信するＧＷ局７０（１）のアンテナとＦＬアンテナ２１１（１）との間の経路長ｄ１１を基準経路長とすると、他の経路の経路長ｄ２１、ｄ３１は次式（６）に示すように基準経路長ｄ１１と経路差Δｄ２１、Δｄ３１（図１７参照）との和で表すことができる。
【0073】
【数6】
【0074】
上記経路差Δｄｉｊ（ｉ≠ｊ）は後述のようにパイロット信号により把握することができる。また、次式（７）に示すように伝搬路応答Ｈは経路差成分Δｈｉｊ（ｉ≠ｊ）からなる相対伝搬路応答及び基準経路成分ｈｉｉ（ｉ＝１，２，３）からなる基準伝搬路応答で表すことができる。また、式（７）中の経路差成分Δｈｉｊは次式（８）で表される。式（８）中の経路差Δｄｉｊを求めることにより、基準伝搬路応答に対する相対伝搬路応答（経路差成分Δｈｉｊ）を推定している。
【0075】
【数7】
【0076】
【数8】
【0077】
本実施形態では、上記伝搬路応答Ｈを動的に把握するため、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）からパイロット信号を送信している。なお、以下の例では、狭帯域のパイロット信号を用いる場合について説明するが、互いに直交する複数の拡散符号を用いてスペクトル拡散したパイロット信号を用い、そのパイロット信号をスペクトル逆拡散した受信結果に基づいて伝搬路応答を推定してもよい。
【0078】
図１８は、ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される上り回線の送信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図１９は、ＨＡＰＳ２０で受信される上り回線の受信信号帯域におけるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２０は、フィルターで分離され伝搬路応答の導出に用いられるパイロット信号の一例を示す説明図である。図２１は、図１８～図２０のパイロット信号を用いたフィーダリンクの伝搬路応答の導出モデルの一例を示す説明図である。
【0079】
図示の例では、ＧＷ局７０（１）～７０（３）から希望信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が送信されるフィーダリンクの送信信号帯域ＦＢに低周波側及び高周波側から隣接する第１の隣接帯域である第１ガードバンドＧＢ１及び第２の隣接帯域である第２ガードバンドＧＢ２それぞれに、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される複数のパイロット信号が分散配置されている。具体的には、第１ガードバンドＧＢ１に各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される同一周波数の互いに周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３が異なるパイロット信号ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３が位置している。また、第２ガードバンドＧＢ２に各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される互いに周波数ｆ１’，ｆ２’，ｆ３’が異なるパイロット信号ＳＰ１’，ＳＰ２’，ＳＰ３’が位置している。ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、ＧＷ局７０（１）、７０（２）及び７０（３）から受信した第１ガードバンドＧＢ１の複数のパイロット信号ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３をそれぞれフィルターで分離し、ＧＷ局７０（１）、７０（２）及び７０（３）から受信した第２ガードバンドＧＢ２の複数のパイロット信号ＳＰ１’，ＳＰ２’，ＳＰ３’をそれぞれフィルターで分離する。
【0080】
次に、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１は、図１８に示すように受信信号から狭帯域受信フィルター２１８を用いて各パイロット信号ＳＰｉ（ｉ＝１～３）を分離し（図１９参照）、分離したパイロット信号ＳＰｉから、k番目のＧＷ局７０（ｋ）からＨＡＰＳ２０のｉ番目のＦＬアンテナ２１１（ｉ）への伝搬路応答ｈｋｉを求める。中継通信局２１は、求めた伝搬路応答ｈｋｉの情報（次式（９）及び式（１０）参照）を干渉キャンセラー部２２０に出力する。
【0081】
【数9】
【0082】
【数10】
【0083】
例えば、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）が受信するパイロット信号ｈ１１，ｈ１１’，ｈ２１及びｈ２１’はそれぞれ次式（１１）、（１２）、（１３）及び（１４）で表され、それらの信号の比ｈ２１／ｈ１１及びｈ２１’／ｈ１１’はそれぞれ、次式（１５）及び（１６）で表される。
【0084】
【数11】
【0085】
【数12】
【0086】
【数13】
【0087】
【数14】
【0088】
【数15】
【0089】
【数16】
【0090】
上記式（１１）～（１６）中のｄ１１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）との間の経路長であり、Δｄ２１はＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（２）それぞれとの間の経路長の差（経路差）である。ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（２）との間の経路長はｄ１１＋Δｄ２１で表される。
【0091】
上記式（１５）及び（１６）から、上記経路差Δｄ２１は次式（１７）で求めることができる。なお、式（１７）中のθは、ｈ１１’とｈ１１の位相差と、ｈ２１とｈ２１’の位相差とを加算した位相差である。すなわち、θ＝（ｈ１１’とｈ１１の位相差）＋（ｈ２１とｈ２１’の位相差）である。
【0092】
【数17】
【0093】
ＧＷ局７０（１）とＦＬアンテナ２１１（１）及び２１１（３）それぞれとの間の経路差Δｄ３１及びその他の経路差Δｄ１２，Δｄ１３，Δｄ２３，Δｄ３２についても、同様に求めることができる。
【0094】
上記経路差Δｄ２１，Δｄ３１，Δｄ１２，Δｄ１３，Δｄ２３，Δｄ３２を用いて、上記フィーダリンクの送信信号帯域の中心周波数ｆsｃにおける伝搬路応答Ｈｆｃは、例えば次式（１８）のＨＰのように推定できる。
【0095】
【数18】
【0096】
図１８及び図１９に示すようにＧＷ局７０（１）～７０（３）がそれぞれ複数のパイロット信号を送信する場合、各パイロット信号の波長λ１、λ２、λ３以上の経路差を検知することができる。例えば、ＬＴＥを想定するとフィーダリンクの送信信号帯域ＦＢの帯域幅Ｂは１８ＭＨｚであるので、上記式（１７）に示すようにΔｄ２１をパイロット周波数差Ｂの波長以内の範囲で推定可能となる。本例では、実装上必要な範囲である０＜Δｄ２１＜１６［ｍ］の範囲まで精度よく推定することができる。
【0097】
また、図１８及び図１９の例では、各ＧＷ局７０（１）～７０（３）から送信される互いに周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ１’，ｆ２’，ｆ３’が異なる複数のパイロット信号ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３及びパイロット信号ＳＰ１’，ＳＰ２’，ＳＰ３’が、第１ガードバンドＧＢ１及び第２ガードバンドＧＢ２に均等に分散されて配置されているので、各パイロット信号をフィルターで分離して容易に個別検出することができる。
【0098】
なお、上記伝搬路応答の行列Ｈｆｃ（上記式（１８）のＨＰ）を用いて、干渉キャンセラーに用いるウェイトは、例えば、伝搬路応答の行列を用いたＺＦ（Zero-Forcing）法又はＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法により計算することができる。
【0099】
例えば、ＺＦ法では、次式（１９）のように伝搬路応答の行列Ｈｆｃの逆行列でウェイトＷを求めることができる。
【0100】
【数19】
【0101】
また、ＭＭＳＥ法では、次式（２０）によりウェイトＷを用いることができる。ここで、ＮＴは送信アンテナ数であり、γはＳＮＲである。
【0102】
【数20】
【0103】
干渉キャンセラー部２２０は、上記ウェイトＷを用いることにより、次式（２１）の受信信号Ｙから干渉信号をキャンセルした次式（２２）の復調信号Ｅに変換して出力することができる。干渉キャンセラー部２２０は、式（２２）中のウェイトＷの行列の各要素の値をＷテーブルのデータとして記憶する。
【0104】
【数21】
【0105】
【数22】
【0106】
次に、本実施形態の複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナによるＧＷ局の追尾、ＦＬアンテナとＧＷ局との組み合わせの切り替え（以下「アンテナ切り替え」ともいう。）、及び、そのアンテナ切り替え時のフィーダリンク間の干渉低減性能低下の緩和について説明する。
【0107】
本実施形態の複数ＧＷシステムにおいて、ＨＡＰＳ２０の機体が上空で移動したり回転したりすると、ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナの指向性ビーム（主ビーム）の方向がＧＷ局（ＧＷアンテナ）に向かう方向からずれてフィーダリンクの通信品質が低下するおそれがある。このＨＡＰＳ２０の移動や回転によるフィーダリンクの通信品質の低下を抑制するために、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナがそれぞれ対応する通信先のＧＷ局（ＧＷアンテナ）を追尾したり、複数のＦＬアンテナと複数のＧＷ局（ＧＷアンテナ）との組み合わせを切り替えるアンテナ切り替えを行ったりしてもよい。
【0108】
図２２（ａ）～図２２（ｃ）は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおけるＨＡＰＳ２０の機体回転時のＦＬアンテナによるＧＷ局の追尾及びＦＬアンテナとＧＷ局との組み合わせを切り替えるアンテナ切り替えの一例を示す説明図である。
図２２（ａ）は、ＨＡＰＳ２０の機体が回転する前の状態を示している。ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）はそれぞれ、フィーダリンクの通信を行っている通信先のＧＷ局７０（１）の方向を向いている。図中のθは、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）のアンテナ主面（例えば平面アレイアンテナの平面）に垂直な方向に対する指向性ビームの方向の傾き角度である。
図２２（ａ）は、ＨＡＰＳ２０の機体が回転する前の状態を示している。ＨＡＰＳ２０のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビーム（主ビーム）はそれぞれ、フィーダリンクの通信を行っている通信先のＧＷ局７０（１）の方向を向いている。図中のθは、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）のアンテナ主面（例えば平面アレイアンテナの平面）に垂直な方向に対する指向性ビームの方向の傾き角度である。
【0109】
ＨＡＰＳ２０の機体が図中の左回転方向に回転すると、図２２（ｂ）に示すように各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビームが通信先のＧＷ局７０（１）の方向に継続して向くように図中の右回転方向に回転する制御される。
【0110】
各ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）の指向性ビームの傾き角度θが所定の角度閾値θｔｈよりも大きくなると、各ＦＬアンテナによるフィーダリンクの通信品質が低下するため、図２２（ｃ）に示すように互いにフィーダリンクの通信を行うＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）とＧＷ局７０（１）～７０（３）（ＧＷアンテナ）との組み合わせが切り替えられる。図２２（ｃ）の例では、例えば、第１番目のＧＷ局７０（１）と組み合わせられるＦＬアンテナが第１番目のＦＬアンテナ２１１（１）から第３番目のＦＬアンテナ２１１（３）に切り替えられる。
【0111】
本実施形態の複数ＧＷシステムにおいて、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナと複数のＧＷ局（ＧＷアンテナ）との組み合わせが変化すると、上記干渉キャンセラー部でのフィーダリンク間干渉の抑圧に用いるウェイトが大きく変化する。そのため、ＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）とＧＷ局７０（１）～７０（３）（ＧＷアンテナ）との組み合わせを切り替えるアンテナ切り替えを行ったときはウェイト（ウェイト行列）も切り替える必要がある。
【0112】
図２３、図２４及び図２５はそれぞれ、ＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）（ＧＷアンテナ）との３種類の組み合わせパターン（パターンＡ，Ｂ，Ｃ）及び各パターンにおけるウェイト（ウェイト行列）の計算で定義される基準経路の一例を示す説明図である。
【0113】
図２３のパターンＡでは、ＧＷ局７０（１）からＦＬアンテナ２１１（１）への経路長ｄ１１、ＧＷ局７０（２）からＦＬアンテナ２１１（２）への経路長ｄ２２及びＧＷ局７０（３）からＦＬアンテナ２１１（３）への経路長ｄ３３をそれぞれ基準経路長として伝搬路応答ＨＡが推定され、その伝搬路応答ＨＡに基づいて、フィーダリンク間干渉の抑圧処理に用いるウェイトＷＡが計算される。
【0114】
図２４のパターンＢでは、ＧＷ局７０（１）からＦＬアンテナ２１１（３）への経路長ｄ３１、ＧＷ局７０（２）からＦＬアンテナ２１１（１）への経路長ｄ１２及びＧＷ局７０（３）からＦＬアンテナ２１１（２）への経路長ｄ２３をそれぞれ基準経路長として伝搬路応答ＨＢが推定され、その伝搬路応答ＨＢに基づいて、フィーダリンク間干渉の抑圧処理に用いるウェイトＷＢが計算される。
【0115】
図２５のパターンＣでは、ＧＷ局７０（１）からＦＬアンテナ２１１（２）への経路長ｄ２１、ＧＷ局７０（２）からＦＬアンテナ２１１（３）への経路長ｄ３２及びＧＷ局７０（３）からＦＬアンテナ２１１（１）への経路長ｄ１３をそれぞれ基準経路長として伝搬路応答ＨＣが推定され、その伝搬路応答ＨＣに基づいて、フィーダリンク間干渉の抑圧処理に用いるウェイトＷＣが計算される。
【0116】
上記３種類のパターンＡ，Ｂ，Ｃでは基準経路長が互いに異なるため、フィーダリンク間干渉を抑圧して受信信号Ｙを復調信号Ｅに変換するときに用いるウェイトＷ（ＷＡ，ＷＢ，ＷＣ）が大きく異なる。例えば、受信信号Ｙから復調信号Ｅに変換する上記式（２２）におけるウェイトにおいて、次式（２３）の行列要素Δｈ２１に含まれる経路差Δｄ２１は、次式（２４）に示すようにパターンが変わると大きく変わる。そのため、パターンＡ，Ｂ，Ｃに応じて適切なウェイトＷＡ，ＷＢ，ＷＣ（ウェイト行列）を用いる必要がある。
【0117】
【数23】
【0118】
【数24】
【0119】
干渉キャンセラー部２２０は、上記パターンＡ，Ｂ，Ｃに対応するウェイトＷＡ，ＷＢ，ＷＣのそれぞれの行列の各要素の値を、ＷＡテーブル、ＷＢテーブル、ＷＣテーブルとして記憶する。
【0120】
図２６は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおいてＨＡＰＳ２０の機体回転中にアンテナ切り替えを行わない場合のマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の時間変化の一例を示すグラフである。図２７は、実施形態に係る複数ＧＷシステムにおいてＨＡＰＳ２０の機体回転中にパターンＡからパターンＢにアンテナ切り替えを行う場合のマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の時間変化の一例を示すグラフである。図２６及び図２７はいずれもコンピュータシミュレーションの結果である。図２６及び図２７において、縦軸は干渉キャンセラー部２２０から出力される復調信号Ｅにおける帯域幅分のＳＩＮＲ［ｄＢ］であり、横軸は、干渉キャンセラー部２２０におけるウェイトＷの計算処理遅延時間（サブフレーム数）である。また、図中の直線Ｃ１００は、干渉キャンセラー部２２０におけるウェイトＷの計算処理遅延による伝搬路応答Ｈの誤差（経路差の計算の誤差）がない場合の理想的な帯域幅分のＳＩＮＲ［ｄＢ］である。
【0121】
図２６のアンテナ切り替えを行わない場合は、図中の曲線Ｃ１０１に示すようにウェイトＷの計算処理遅延による伝搬路応答Ｈの誤差（経路差の計算の誤差）分だけ干渉低減性能が次第に低下してＳＩＮＲ［ｄＢ］がなだらかに悪化する。
【0122】
一方、図２７のアンテナ切り替えを行う場合は、図中の曲線Ｃ１０２に示すようにパターンＡからパターンＢにアンテナ切替を行った直後に干渉低減性能が急激に低下してＳＩＮＲ［ｄＢ］が急激に悪化する。この急激な干渉低減性能の低下は、アンテナ切り替えによってパターンＢに切り替わったにもかかわらず、ウェイトＷＢの計算処理遅延時間τ（例えば、数１００ｍｓ～数ｓ程度の処理遅延）により、パターンＢへのアンテナ切り替え直後において、アンテナ切り替え前のパターンＡのウェイトＷＡ（ＷＡテーブル）が使用されるために発生することがわかった。
【0123】
そこで、本実施形態では、ＨＡＰＳ２０の移動及び回転の少なくとも一方によって発生する可能性があるＨＡＰＳ２０の複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）（ＧＷアンテナ）との３種類の組み合わせパターン（パターンＡ，Ｂ，Ｃ）のすべてについて、各パターンＡ，Ｂ，Ｃに対応するウェイトＷＡ，ＷＢ，ＷＣを事前に計算してＷＡテーブル、ＷＢテーブル、ＷＣテーブルとして記憶している。そして、ＨＡＰＳ２０の移動及び回転の少なくとも一方によって組み合わせパターンが変化したときは、変化後の組み合わせに対応する組み合わせパターンのウェイトの計算結果（Ｗテーブル）を選択し、選択した組み合わせパターンのウェイトの計算結果（Ｗテーブル）に基づいて中継信号を送受信するときのフィーダリンク間の干渉を抑圧する処理を実行する。
【0124】
例えば、図２８に示すようにパターンＡからパターンＢへのアンテナ切り替えを行ったときに、干渉キャンセラー部２２０において、予め記憶されている複数のＷテーブルからパターンＢに対応するＷＢテーブルを選択し、干渉抑圧処理を伴う受信信号Ｙから復調信号Ｅへの変換に用いるＷテーブルをＷＡテーブルからＷＢテーブルに切り替える。このＷテーブルの切り替えにより、干渉キャンセラー部２２０におけるウェイトＷの計算処理遅延時間τがあってもアンテナ切り替え直後からパターンＢに対応するＷＢテーブルを使用可能になるため、干渉低減性能の急激な低下（図２７参照）を緩和することができる。
【0125】
図２８におけるアンテナ切り替え前はパターンＡのＷＡテーブルを用いられるため、復調信号Ｓ’は例えば次式（２５）で表される。パターンＢへのアンテナ切り替え直後は、事前に記憶されているパターンＢのＷＢテーブルが選択されて用いられるため、復調信号Ｓ’は例えば次式（２６）に示すようにパターンＢでの経路差のずれのみとなり、フィーダリンク間干渉低減性能の急激な低下がなく、干渉低減性能の低下を緩和することができる。これに対し、パターンＢへのアンテナ切り替え直後にウェイトＷの計算処理遅延時間τによりＷＡテーブルを使用し続ける場合は、次式（２７）に示すようにアンテナ切り替え前のパターンＡのＷＡテーブルを用いて変換されて復調信号Ｓ’が出力されるため、フィーダリンク間干渉低減性能の急激な低下が発生する。
【0126】
【数25】
【0127】
【数26】
【0128】
【数27】
【0129】
なお、パターンＡからパターンＢへのアンテナ切り替えのタイミングは、ＨＡＰＳ２０の中継通信局２１がＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）を介して接続する複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）の接続ＧＷ情報に基づいて判断することができる。
【0130】
また、干渉キャンセラー部２２０において予め計算して記憶しておく複数のウェイト（Ｗテーブル）は、複数のアンテナ切り替えタイミングそれぞれの近傍におけるパターンＡ，Ｂ，Ｃそれぞれにおいて計算したものであってもよい。この場合は、アンテナ切り替え直後に選択して用いるウェイト（Ｗテーブル）が実際の経路長（経路差）に対応したウェイト（Ｗテーブル）に近くなり、アンテナ切り替え直後におけるフィーダリンク間干渉低減性能を高めることができる。
【0131】
図２９は、本実施形態に係るＨＡＰＳ２０の中継通信局２１の主要構成の一例を示す説明図である。図２９において、中継通信局２１は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２と周波数変換部２２３と各部を制御する制御部２２４と干渉抑圧部２２５を備える。
【0132】
フィーダリンク通信部２２１は、ＧＷ局７０の数（ＦＬアンテナ２１１の数）に対応する複数の受信機を備え、ＦＬアンテナ２１１を介してＧＷ局７０との間でフィーダリンク用の第１周波数Ｆ１の無線信号を送受信する。
【0133】
フィーダリンク通信部２２１の複数の受信機は、複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）それぞれから送信された複数のパイロット信号を受信し、複数のパイロット信号が重複したパイロット信号群をフィルターで分離する。また、各受信機は、上記フィルターで分離された複数のパイロット信号を、フィーダリンクの伝搬路を伝搬してきたパイロット信号ｈｋｉの受信結果として干渉抑圧部２２５に出力する。
【0134】
サービスリンク通信部２２２は、サービスリンク用アンテナ１１５を介して端末装置６１との間でサービスリンク用の第２周波数Ｆ２の無線信号を送受信する。周波数変換部２２３は、フィーダリンク通信部２２１とサービスリンク通信部２２２との間で第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との周波数変換を行う。中継通信局２１で中継される無線信号は、例えば、ＬＴＥ又はＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠したＯＦＭＤＡ通信方式を用いて送受信してもよい。この場合は、無線信号の遅延が異なるマルチパスが発生しても良好な通信品質を維持できる。
【0135】
制御部２２４は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより各部を制御することができる。
【0136】
干渉抑圧部２２５は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、フィーダリンク通信部２２１から出力された複数のパイロット信号の受信結果（ｈｋｉ）に基づいて、前述の伝搬路応答の推定、ウェイトの計算及び干渉キャンセル信号処理を行う。
【0137】
なお、移動通信網の通信オペレータの遠隔制御装置（制御元）からの制御情報を受信したり遠隔制御装置に情報を送信したりする場合は、制御部２２４に接続されたユーザ端末（移動局）２２６を備えてもよい。制御部２２４は、例えば、遠隔制御装置から送信されてきた制御情報をユーザ端末（移動局）２２６で受信し、その制御情報に基づいて各部を制御してもよい。ここで、遠隔制御装置とユーザ端末（移動局）２２６との間の通信は、例えば遠隔制御装置及びユーザ端末（移動局）２２６それぞれに割り当てられたＩＰアドレス（又は電話番号）を用いて行ってもよい。
【0138】
以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との間の同一周波数のマルチフィーダリンクにおける複数のフィーダリンク間の干渉を動的に抑圧することができる。
【0139】
特に本実施形態によれば、複数ＧＷシステムにおいてＨＡＰＳ２０に搭載した複数のＦＬアンテナ２１１（１）～２１１（３）と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との組み合わせが変化したときに、変化後の組み合わせパターンに対応するウェイトを計算する必要がないため、ウェイト処理遅延によるマルチフィーダリンク間の干渉低減性能の低下を緩和することができる。
【0140】
また、本実施形態によれば、マルチフィーダリンクにおける干渉の動的な抑圧に必要となるＨＡＰＳ２０と複数のＧＷ局７０（１）～７０（３）との経路差を実装上必要な範囲まで推定して把握することができるので、マルチフィーダリンクにおける干渉を精度よく抑圧することができる。
【0141】
なお、上記実施形態では、ＨＡＰＳ２０のフィーダリンクのフォワードリンクに適用した場合について説明したが、本発明は、フィーダリンクのリバースリンクにも適用することでリバースリンクにおけるＳＮＩＲの低下を抑制しつつ、フィーダリンクの周波数利用効率の向上を図ることができる。
【0142】
なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
【0143】
ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
【0144】
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。
【0145】
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。
【0146】
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】
【0147】
２０ ＨＡＰＳ（通信中継装置）
２１ 中継通信局
６１ 端末装置
７０，７０（１）～７０（３） ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７１，７１（１）～７１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
２００Ｃ，２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７） ３次元セル
２００Ｆ，２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７） フットプリント
２１１、２１１（１）～２１１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
２１２、２１２（１）～２１２（３） アンテナ指向性ビーム
２１５ サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
２２０ 干渉キャンセラー部
２２１ フィーダリンク通信部
２２２ サービスリンク通信部
２２３ 周波数変換部
２２４ 制御部
２２５ 干渉抑圧部
２１ 中継通信局
６１ 端末装置
７０，７０（１）～７０（３） ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７１，７１（１）～７１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
２００Ｃ，２００Ｃ（１）～２００Ｃ（７） ３次元セル
２００Ｆ，２００Ｆ（１）～２００Ｆ（７） フットプリント
２１１、２１１（１）～２１１（３） フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
２１２、２１２（１）～２１２（３） アンテナ指向性ビーム
２１５ サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
２２０ 干渉キャンセラー部
２２１ フィーダリンク通信部
２２２ サービスリンク通信部
２２３ 周波数変換部
２２４ 制御部
２２５ 干渉抑圧部
【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】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】