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特許7463309ユーザ装置の角度情報に基づくＨＡＰＳ向けＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ
(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】2024-03-29
(45)【発行日】2024-04-08
(54)【発明の名称】ユーザ装置の角度情報に基づくＨＡＰＳ向けＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ
(51)【国際特許分類】
H04B 7/0452 20170101AFI20240401BHJP
H04B 7/0413 20170101ALI20240401BHJP
【ＦＩ】
H04B7/0452 110
H04B7/0413 300
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021021330
(22)【出願日】2021-02-12
(65)【公開番号】P2022123789
(43)【公開日】2022-08-24
【審査請求日】2023-05-17
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【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】小西 光邦
(72)【発明者】
【氏名】星野 兼次
(72)【発明者】
【氏名】太田 喜元
(72)【発明者】
【氏名】長手 厚史
【審査官】吉江 一明
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－０４１５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０３６１００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０４２３４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０２７６０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ ７／０４１３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
地上又は海上に向けてセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの無線通信を行う上空滞在型の通信中継装置であって、前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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を介して前記複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置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受信部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度の情報を推定する角度推定処理部と、
前記複数の端末装置の前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記角度が離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択する選択処理部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するウェイト計算部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するダウンリンク送信部と、を備え、
前記角度の情報は、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向の方位角及び仰角であり、
前記選択処理部は、
前記セルに在圏する複数の端末装置を前記仰角について並べ替えて複数の仰角グループに分割し、
前記複数の仰角グループのそれぞれについて、前記仰角グループに属する複数の端末装置を前記方位角について並べ替え、
前記仰角及び前記方位角を互いに交差する座標軸とする仮想平面上で互いに離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行い、
前記ウェイト計算部は、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報に応じて前記ビームフォーミングのウェイトを計算する、
ことを特徴とする通信中継装置。
【請求項2】
地上又は海上に向けてセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの無線通信を行う上空滞在型の通信中継装置であって、
前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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を介して前記複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置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受信部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度の情報を推定する角度推定処理部と、
前記複数の端末装置の前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記角度が離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択する選択処理部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するウェイト計算部と、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するダウンリンク送信部と、を備え、
前記角度の情報は、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向の方位角及び仰角であり、
前記選択処理部は、
前記セルに在圏する複数の端末装置を前記仰角について並べ替えて複数の仰角グループに分割し、
前記複数の仰角グループのそれぞれについて、前記仰角グループに属する複数の端末装置を前記方位角について並べ替え、
前記仰角及び前記方位角を互いに交差する座標軸とする仮想平面上で互いに離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行い、
前記ウェイト計算部は、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報に基づいて前記端末装置と前記通信中継装置との間のチャネル状態情報又はそれに相当する情報を推定し、その推定結果に基づいて前記ビームフォーミングのウェイトを計算する、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、前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子の振幅応答ベクトルと前記複数のアンテナ素子のアンテナ素子間の位相差ベクトルとのアダマール積からなるモードベクトルを、前記チャネル状態情報として代用する、ことを特徴とする通信中継装置。
【請求項4】
請求項１乃至３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5】
地上又は海上に向けてセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの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、前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置を識別可能なアップリンク信号を受信するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度の情報を推定するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置の前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記角度が離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するためのプログラムコードと、を含み、
前記角度の情報は、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向の方位角及び仰角であり、
前記セルに在圏する複数の端末装置を前記仰角について並べ替えて複数の仰角グループに分割するためのプログラムコードと、
前記複数の仰角グループのそれぞれについて、前記仰角グループに属する複数の端末装置を前記方位角について並べ替えるためのプログラムコードと、
前記仰角及び前記方位角を互いに交差する座標軸とする仮想平面上で互いに離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行い、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報に応じて前記ビームフォーミングのウェイトを計算するためのプログラムコードと、を更に含む、
ことを特徴とするプログラム。
【請求項6】
地上又は海上に向けてセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの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、
前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置を識別可能なアップリンク信号を受信するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度の情報を推定するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置の前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記角度が離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するためのプログラムコードと、を含み、
前記角度の情報は、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向の方位角及び仰角であり、
前記セルに在圏する複数の端末装置を前記仰角について並べ替えて複数の仰角グループに分割するためのプログラムコードと、
前記複数の仰角グループのそれぞれについて、前記仰角グループに属する複数の端末装置を前記方位角について並べ替えるためのプログラムコードと、
前記仰角及び前記方位角を互いに交差する座標軸とする仮想平面上で互いに離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行うためのプログラムコードと、
前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度の情報に基づいて前記端末装置と前記通信中継装置との間のチャネル状態情報又はそれに相当する情報を推定し、その推定結果に基づいて前記ビームフォーミングのウェイトを計算するためのプログラムコードと、を更に含む、
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、上空のＨＡＰＳ等の空中滞在型の通信中継装置で形成されるサービスエリアのセルに在圏する複数の端末装置との間のＭＵ（multi user）－ＭＩＭＯ（multiple-input multiple-output）技術に関する。
【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。）等の空中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等の空中滞在型の通信中継装置と、その空中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】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書
【非特許文献】
【0004】
【文献】Z Lian, L Jiang, C He, D He, "User grouping and beamforming for HAP massive MIMO systems based on statistical-Eigenmode", IEEE Wireless Communications Letters, Volume 8, Issue 3, pp. 961 - 964 (June 2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記空中滞在型の通信中継装置が多素子のアレーアンテナを用いて複数のＵＥとＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う場合において、ＵＥごとに適切なビームを向けるには、各ＵＥのＣＳＩ（通信中継装置とＵＥとの間のチャネル状態情報）を定期的に獲得する必要がある。また、ある無線リソース（時間・周波数リソース）にどのＵＥを割り当てるかにより通信品質が大きく変化する。例えば、空間的な距離が互いに近い複数のＵＥに同一の周波数リソースを割り当てた場合、各ＵＥのビームが互いに干渉し、通信品質が大きく低下する。この通信品質の低下を防止するために、同一無線リソース（時間・周波数リソース）に割り当てるＵＥを適切に選択する必要があるが、このＵＥの選択にも、各ＵＥのＣＳＩを定期的に獲得する必要がある。しかしながら、各ＵＥのＣＳＩを獲得するには、セル内のすべてのＵＥから上空の通信中継装置に対して参照信号（例えば、ＳＲＳ：Sounding Reference Signal）を頻繁に送信する必要があり、各ＵＥ及び通信中継装置におけるオーバーヘッドが増加するという課題がある。
【0006】
非特許文献１には、多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ伝送を行うＨＡＰ（高高度プラットフォーム）システムにおいて、セルに在圏する各ＵＥについて、ＵＥ間のチャネル直交度の指標であるＣＤ（Ｃｈｏｒｄａｌ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を繰り返し評価し、そのＣＤの評価結果に基づいてＵＥの選択（Ｇｒｏｕｐｉｎｇ）とビームフォーミングを行うことが提案されている。しかしながら、ＨＡＰシステムで形成されるセルに在圏するＵＥの数は数万にのぼることが想定され、ＨＡＰシステムで上記ＣＤの評価を行うための演算量、回路規模及び消費電力が増大する、という課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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セルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの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、前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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を介して前記複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置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受信部と、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度情報を推定する角度推定処理部と、前記複数の端末装置の前記角度情報の推定結果に基づいて、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択する選択処理部と、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するウェイト計算部と、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するダウンリンク送信部と、を備える。
【0008】
本発明の他の態様に係る通信システムは、前記通信中継装置と、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。
【0009】
本発明の更に他の態様に係る方法は、上空滞在型の通信中継装置により地上又は海上に向けてセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの無線通信を行う方法である。この方法は、前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置を識別可能なアップリンク信号を受信することと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度情報を推定することと、前記複数の端末装置の前記角度情報の推定結果に基づいて、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択することと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算することと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信することと、を含む。
【0010】
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セルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置との間でＭＵ－ＭＩＭＯの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、前記複数の端末装置と間のサービスリンクの無線通信を行うセル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複数の端末装置のそれぞれから、前記端末装置を識別可能なアップリンク信号を受信するためのプログラムコードと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向を示す角度情報を推定するためのプログラムコードと、前記複数の端末装置の前記角度情報の推定結果に基づいて、前記サービスリンクのダウンリンクに用いられる複数の無線リソースのそれぞれに割り当てる端末装置を選択するためのプログラムコードと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度情報の推定結果に基づいて、前記アレーアンテナによる前記端末装置に対するダウンリンクのビームフォーミングのウェイトを計算するためのプログラムコードと、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記端末装置に対応する前記ビームフォーミングのウェイトと前記端末装置に割り当てられた無線リソースとに基づいて、前記アレーアンテナを介して前記端末装置にダウンリンク信号を送信するためのプログラムコードと、を含む。
【0011】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記複数の端末装置の間の空間相関が低くなるように前記端末装置の選択を行ってもよい。
【0012】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記角度が離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行ってもよい。
【0013】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記角度情報は、前記アレーアンテナの位置を基準にした前記端末装置の方向の方位角及び仰角であってもよい。
【0014】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記セルに在圏する複数の端末装置を前記仰角について並べ替えて複数の仰角グループに分割し、前記複数の仰角グループのそれぞれについて、前記仰角グループに属する複数の端末装置を前記方位角について並べ替え、前記仰角及び前記方位角を互いに交差する座標軸とする仮想平面上で互いに離れた複数の端末装置に同一の無線リソースが割り当てられるように前記端末装置の選択を行ってもよい。
【0015】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度情報に応じて前記ビームフォーミングのウェイトを計算してもよい。
【0016】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記複数の端末装置のそれぞれについて、前記角度情報に基づいて前記端末装置と前記通信中継装置との間のチャネル状態情報又はそれに相当する情報を推定し、その推定結果に基づいて前記ビームフォーミングのウェイトを計算してもよい。
【0017】
前記通信中継装置、前記システム、前記方法及び前記プログラムのそれぞれにおいて、前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子の振幅応答ベクトルと前記複数のアンテナ素子のアンテナ素子間の位相差ベクトルとのアダマール積からなるモードベクトルを、前記チャネル状態情報として代用してもよい。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、上空滞在型の通信中継装置とセル内の複数の端末装置との間で多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ通信（又は伝送）を行う場合に、セルに在圏する端末装置の数が増加した場合でも端末装置及び通信中継装置におけるオーバーヘッドの増加を抑制しつつ、セル全体の通信品質の改善及びシステム容量の拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【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の一例を示す説明図。
【図7】参考例に係るＭＵ－ＭＩＭＯにおけるＵＥの選択及びＢＦウェイトの計算のフローチャート。
【図8】参考例に係るＭＵ－ＭＩＭＯにおけるセル内のＵＥからの参照信号の送信の説明図。
【図9】参考例に係る地上の固定基地局を介した通信システムにおける固定基地局とサービスエリア内のＵＥとの位置関係を示す説明図。
【図10】実施形態に係るＨＡＰＳを介した通信システムにおけるＨＡＰＳとサービスエリア内のＵＥとの位置関係を示す説明図。
【図11】実施形態に係るＨＡＰＳのＭＵ－ＭＩＭＯにおけるＵＥの選択及びＢＦウェイトの計算の一例を示すフローチャート。
【図13】ＨＡＰＳの位置を基準にした座標系におけるＵＥの方向に対する方位角及び仰角の定義を示す説明図。
【図23】シリンダー型アレーアンテナの場合のＣＳＩの推定（復元）における仮想水平面の座標、アンテナ素子の配置及びＵＥの方位角の一例を示す説明図。
【図24】シリンダー型アレーアンテナの場合のＣＳＩの推定（復元）における仮想垂直面の座標、アンテナ素子の配置及びＵＥの仰角の一例を示す説明図。
【図25】実施形態のＨＡＰＳの中継通信局の主要構成の一例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0020】
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、セルに在圏するＵＥが増加した場合でもＵＥ及びＨＡＰＳにおけるオーバーヘッドの増加を抑制しつつ、セル全体の通信品質の改善及びシステム容量の拡大を図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。
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、セルに在圏するＵＥが増加した場合でもＵＥ及びＨＡＰＳにおけるオーバーヘッドの増加を抑制しつつ、セル全体の通信品質の改善及びシステム容量の拡大を図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。
【0021】
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３次元セル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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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３次元セル１００Ｃを形成する。この３次元なセル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１０Ａの半径は、例えば数１０［ｋｍ］～１００［ｋｍ］である。
【0025】
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１０Ａを形成してもよい。
【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。
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に向かう通信のダウンリンクを「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】
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（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（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】
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、基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）としての中継通信局１１０からセル内の複数のＵＥ６１へのダウン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。
【0035】
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
【0039】
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の一例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に対して個別に適切なビーム１００Ｂを向け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。
【0040】
本実施形態のＨＡＰＳ１０においてビームフォーミング制御を伴うＭＵ－ＭＩＭＯ伝送方式を用いる場合、各ＵＥ６１に対して個別に適切なビーム１００Ｂを向けるには、各ＵＥ６１とＨＡＰＳ１０との間のＣＳＩ（チャネル状態情報）を獲得する必要がある。
【0041】
また、ある無線リソース（ＲＢ）にどのＵＥ６１を割り当てるかにより、通信品質が大きく変化する。例えば、図６において互いに距離が近いＵＥ６１に同一の周波数リソースを割り当てる場合、ＨＡＰＳ１０から各ＵＥ６１に向かう複数のビーム１００Ｂが互いに干渉し、通信品質が大きく低下するおそれがある。
【0042】
多素子のアレーアンテナを用いて各ＵＥに対して個別に適切なビームを向けるとともに互いに距離が近い複数のビーム間の干渉を抑制して通信品質の低下を抑制するＭＵ－ＭＩＭＯシステムとしては、次の参考例に示すように各ＵＥから参照信号（ＳＲＳ：Ｓｏｕｎｄｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｉｇｎａｌ）を受信して推定したＣＳＩを用いるＣＳＩベースのＭＵ－ＭＩＭＯシステムが一般的である。
【0043】
図７は、参考例に係るＭＵ－ＭＩＭＯにおけるＵＥの選択及びＢＦウェイトの計算のフローチャートである。図８は、参考例に係るＭＵ－ＭＩＭＯにおけるセル内のＵＥからの参照信号の送信の説明図である。図７において、ＨＡＰＳは、セル内の全ＵＥにＳＲＳを要求し、図８に示すように全ＵＥからＳＲＳを受信し（Ｓ９０１）、ＳＲＳの受信結果に基づいて、各ＵＥのＣＳＩを推定する（Ｓ９０２）。ＨＡＰＳは、各ＵＥのＣＳＩの推定結果に基づいて、ダウンリンク通信に用いられる複数の無線リソース（ＲＢ）のそれぞれについて、セル内の全ＵＥから同一の無線リソース（ＲＢ）に割り当てるＵＥを選択する（Ｓ９０３）。このＵＥの選択により、空間相関の低い複数のＵＥが同一の無線リソース（ＲＢ）に割り当てられる。更に、ＨＡＰＳは、各ＵＥのＣＳＩの推定結果に基づいて、各ＵＥに対して個別のビームを形成するためにアレーアンテナの各アンテナ素子の信号に適用するＢＦウェイトを計算する（Ｓ９０４）。ＨＡＰＳは、各無線リソース（ＲＢ）に対するＵＥの選択結果及び各ＵＥに対するＢＦウェイトの計算結果に基づいて、各ＵＥに対するダウンリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う（Ｓ９０５）。
【0044】
上記参考例のＣＳＩベースのＭＵ－ＭＩＭＯシステムでは、ＵＥ選択及びＢＦウェイト計算において、全ＵＥのＣＳＩが必要であり、定期的にセル内のすべてのＵＥから参照信号（ＳＲＳ）を受信して各ＵＥのＣＳＩを獲得する必要がある。特に、ＨＡＰＳの場合、セルに在圏する接続ＵＥの数が数万にのぼることが想定され、各ＵＥがＨＡＰＳに対して頻繁に参照信号（ＳＲＳ）を送信することによってオーバーヘッドが増加する。
【0045】
上記参考例のＣＳＩベースのＭＵ－ＭＩＭＯシステムでは、ＨＡＰＳのセルに在圏するＵＥ数の増加によってＵＥ選択処理における演算量等が急増する。例えばＵＥから取得したＣＳＩに基づいて前述の非特許文献１で提案されているＵＥ間のチャネル直交度（ＣＤ）をＣＳＩの直交度で繰り返し評価してＵＥ選択を行うとすると、ＵＥ数が５，０００でＣＳＩの直交度の評価回数が１，２００万回以上になり、ＵＥ数が２０，０００になるとＣＳＩの直交度の評価回数が２億回以上になる。そのため、ＵＥ選択処理時の演算量、演算回路規模及び消費電力が増大し、ＨＡＰＳのセルにおけるＭＵ－ＭＩＭＯシステムでは、ＣＳＩの直交度に基づくＵＥ選択手法の利用は現実的でない。
【0046】
そこで、本実施形態では、以下に示すように地上システム（地上の固定基地局でセルを形成するセルラ無線通信システム）と比較したＨＡＰＳシステム（上空のＨＡＰＳでセルを形成するセルラ無線通信システム）の特徴に着目し、参照信号（ＳＲＳ）に基づいて獲得したＣＳＩの直交度の演算を行わずに、セル内のＵＥの方向を示す角度情報に基づいてＵＥ選択とＢＦウェイトの計算を行っている。
【0047】
図９は、参考例に係る地上の固定基地局を介した通信システム（地上システム）における固定基地局９０とサービスエリア（セル）９０Ａ内のＵＥ６１との位置関係を示す説明図である。図１０は、本実施形態に係るＨＡＰＳ１０を介した通信システム（ＨＡＰＳシステム）におけるＨＡＰＳ１０とサービスエリア（セルのフットプリント）１０Ａ内のＵＥ６１との位置関係を示す説明図である。
【0048】
図９の地上システムにおける半径Ｒｃが数ｋｍのサービスエリア９０Ａでは、エリア面積が狭く、エリア内のＵＥが少なく、固定基地局９０とＵＥ６１との距離が近い。そのため、固定基地局９０のアンテナから見たＵＥ間の角度θＵＥが小さく、また、固定基地局９０とＵＥ６１との間の電波の伝搬距離に対してマルチパスによる散乱エリア６１Ａが大きく固定基地局９０のアンテナから見た散乱エリア６１Ａの見込み角度θｐが大きい。従って、地上システムでは、ある一つのＵＥ６１から送信された電波が不特定の方向から到来しやすく、上記ＵＥ選択処理においてＵＥ間の角度θＵＥが大きな複数のＵＥを組み合わせにくい。
【0049】
これに対して、図１０のＨＡＰＳシステムにおける半径Ｒｃが数１０ｋｍ～１００ｋｍのサービスエリア９０Ａでは、エリア面積が広く、エリア内のＵＥが多く、ＨＡＰＳ１０とＵＥ６１との距離が遠い。そのため、ＨＡＰＳ１０のアンテナから見たＵＥ間の角度θＵＥが大きいＵＥがエリア内に存在し、また、ＨＡＰＳ１０とＵＥ６１との間の電波の伝搬距離に対してマルチパスによる散乱エリア６１Ａが小さく固定基地局９０のアンテナから見た散乱エリア６１Ａの見込み角度θｐが小さい。従って、ＨＡＰＳシステムでは、ある一つのＵＥ６１から送信された電波が特定の方向から到来し、上記ＵＥ選択処理においてＵＥ間の角度θＵＥが大きな複数のＵＥを組み合わせやすい。
【0050】
以上示したように、地上システムと比較したＨＡＰＳシステムの特徴に着目し、参照信号（ＳＲＳ）に基づいて獲得したＣＳＩの直交度の演算を行わずに、以下に示すようにサービスエリア１０Ａ内のＵＥ６１の方向を示す角度情報に基づいてＵＥ選択とＢＦウェイトの計算を行っている。
【0051】
図１１は、本実施形態に係るＨＡＰＳ１０のＭＵ－ＭＩＭＯにおけるＵＥ６１の選択及びＢＦウェイトの計算の一例を示すフローチャートである。図１１において、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、まず、サービスエリア１０Ａ内のすべてのＵＥ６１について、ＵＥ６１から受信したＵＥをユニーク識別可能な任意のアップリンク信号に基づいて、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０を基準にしたＵＥ６１の方向を示す角度（方位角、仰角）を推定する（Ｓ１００）。任意のアップリンク信号からＵＥ６１の角度（方位角、仰角）を推定できるので、前述の参考例とは異なり、参照信号（ＳＲＳ）の送受信に伴うオーバーヘッドがなくなる。また、前述の参考例でＵＥ選択に用いるＣＳＩは周波数に依存するが、本実施形態で推定するＵＥ６１の角度（方位角、仰角）は周波数に依存しないため、ＴＤＤ／ＦＤＤに関係なくＵＥ６１の角度推定が可能である。
【0052】
上記ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）の推定方法としては、例えば、ＵＥ６１からのアップリンク信号をもとに角度推定アルゴリズムを適用して、各ＵＥ６１の方位角・仰角を得る方法を用いることができる。また、上記ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）の推定方法は、ＵＥ６１自身の位置情報（例えば、ＧＰＳ位置情報など）を直接ＨＡＰＳ１０側に通知させて、その位置情報から各ＵＥ６１の方位角・仰角を算出する方法であってもよい。
【0053】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、サービスエリア１０Ａ内のすべてのＵＥ６１について推定した各ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）に基づいて、ＵＥ間の空間相関が低くなるようにＵＥ選択を行う（Ｓ１１０）。角度（方位角、仰角）に基づいてＵＥ選択を行うことにより、前述の参考例におけるＣＳＩに基づくＵＥ選択よりも、演算量を圧倒的に少なくすることができる。
【0054】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、サービスエリア１０Ａ内のすべてのＵＥ６１について推定した各ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）に基づいて、各ＵＥ６１に対してビームを形成するときにアレーアンテナ１３０の各アンテナ素子に対して適用するＢＦウェイトを計算する（Ｓ１２０）。このＢＦウェイトの計算には、例えば後述のように２種類のＢＦ方式を選択的に用いることができる。第１のＢＦ方式は、各ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）の推定値に応じたビームフォーミング制御（ビームステアリング）を行うようにＢＦウェイトを計算する方式である。この第１のＢＦ方式では、ＣＳＩの復元処理を行わないため、第２のＢＦ方式よりも演算量が少ない。第２のＢＦ方式は、各ＵＥ６１の角度（方位角、仰角）の推定値に基づいてＣＳＩを推定（復元）してビームフォーミング制御（ビームステアリング）を行うようにＢＦウェイトを計算する方式である。この第２のＢＦ方式では、ＣＳＩに基づく一般的なビームフォーミングのアルゴリズムを利用することができる。
【0055】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、サービスエリア１０Ａ内のＵＥ６１と通信するサービスリンクにおいて、上記ＵＥ選択結果と上記ＢＦウェイトの計算結果とに基づいて、各ＵＥ６１との間でダウンリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行うことできる（Ｓ１３０）。
【0056】
図１２は、図１１における角度推定の一例を示すフローチャートである。図１３は、ＨＡＰＳ１０の位置を基準にした座標系におけるＵＥ６１の方向に対する方位角φ及び仰角θの定義を示す説明図である。なお、図１２では、説明の簡略化のため、ある１つのＵＥ６１を対象とした角度推定処理について示す。
【0057】
図１２の角度推定処理において、まず、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、ＵＥ６１を一意に識別可能な情報を含む任意のアップリンク信号を、アレーアンテナ１３０で受信する（Ｓ１０１）。ＵＥ６１から送信された任意のアップリンク信号を利用できるため、前述の参考例で用いたような参照信号（ＳＲＳ）をＵＥ６１に別途要求して受信する必要がない。なお、角度推定の処理の直前に受信したアップリンク信号がある場合は、ステップＳ１０１は省略してもよい。
【0058】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、任意の電波到来方向推定プログラムを利用して、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０の位置を基準にしたＵＥ６１の方向を示す方位角φ及び仰角θ（図１３参照）を推定する（Ｓ１０２）。ここで、上空のＨＡＰＳ１０と地上（又は海上）のＵＥ６１との間の距離は十分に遠いため、反射波などの影響は小さく、任意の電波到来方向推定プログラムの基本的なアルゴリズムでも十分な精度で角度（方位角φ、仰角θ）の推定が可能である。
【0059】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、上記新たに推定したＵＥ６１の角度（方位角φ、仰角θ）の推定値で、メモリ等の記憶部に保存されているＵＥ６１の角度（方位角φ、仰角θ）のデータを更新する（Ｓ１０３）。
【0060】
図１４は、図１１における角度情報（方位角、仰角）に基づくＵＥ６１の選択の一例を示すフローチャートである。図１５は、図１４におけるＵＥ６１の選択の一例を示す説明図である。図１６は、図１５において選択された各ＵＥに対する周波数軸上のリソースブロックの割り当て一例を示す説明図である。なお、図１４では、説明の簡略化のため、ある１回のダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信におけるＵＥ選択処理について示す。また、図１５及び図１６は、サービスエリア１０Ａの互いに遠いエリア端部にＵＥ６１（１），６１（２）とＵＥ６１（３），６１（４）とが離れて位置し、ＵＥ６１（１）とＵＥ６１（２）との距離が近く、ＵＥ６１（３）とＵＥ６１（４）との距離が近い場合の例について示している。
【0061】
図１４のＵＥ選択処理は次のような基準で行う。サービスエリア１０Ａ内のＵＥ間干渉（ビーム間干渉）を低減して、高いスループットを実現するためには、互いに空間相関の低い複数のＵＥ６１を同一の無線リソース（例えば、同一のＲＢ（リソースブロック））に割り当てるのが一般的である。また、前述のようにＨＡＰＳシステムでは、伝搬距離に対して散乱エリア６１Ａが狭い（ＨＡＰＳ１０から見た散乱エリア６１Ａの広がり角度θｐが小さい）。ここで、ＨＡＰＳ１０のサービスエリア１０Ａの場合、互いに空間相関の低い複数のＵＥ６１とは、図１５に例示するように空間的に離れた複数のＵＥ６１、すなわち、互いに角度情報（方位角φ、仰角θ）が離れた複数のＵＥ６１である。従って、図１６に例示するように角度情報（方位角φ、仰角θ）が離れた複数のＵＥ６１を同一の無線リソース（同一のＲＢ）に割り当てればよい。
【0062】
図１４のＵＥ選択処理において、まず、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、サービスエリア１０Ａ内のダウンリンク通信を行うすべてのＵＥ６１の角度情報（方位角φ、仰角θ）を取得する（Ｓ１１１）。
【0063】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、図１７に例示するように、すべてのＵＥ６１を仰角θについてソートし、Ｎｕ個のグループに分割する（図１４のＳ１１２）。ここで、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の数である。Ｎｕの値は、サービスエリア１０Ａ内のＵＥ６１の分布に応じて変えてもよい。
【0064】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、図１８に例示するように、各グループ内でＵＥ６１を方位角φについてソートし、仰角－方位角の仮想平面で互いに離れたＵＥ６１を同一の無線リソース（同一のＲＢ）に割り当てる（図１４のＳ１１３）。図１８の例では、Ｎｕが６であり、各グループ内で６個のＵＥを方位角φについてソートし、第ｇグループに方位角φのオフセットδｇを与えて適用し、オフセットδｇを適用した後の仰角－方位角の仮想平面において同じ方位角のグループに属する６個のＵＥ６１を同一の無線リソース（同一のＲＢ）に割り当てる。なお、オフセットδｇの値は、サービスエリア１０Ａ内のＵＥ６１の分布に応じて、仰角のグループごとに変えてもよい。
【0065】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、各無線リソース（同一のＲＢ）に割り当てたＵＥ６１の選択結果を、後述のＲＢ割り当て処理部に送る（図１４のＳ１１４）。
【0066】
図１９は、図１１における角度情報（方位角、仰角）に基づくＢＦウェイトの計算の一例を示すフローチャートである。図２０は、図１９におけるＢＦウェイトの計算に用いられる第１のＢＦ方式の一例を示す説明図である。図２１は、図１９におけるＢＦウェイトの計算に用いられる第２のＢＦ方式の一例を示す説明図である。図２２は、図２１の第２のＢＦ方式の場合のＢＦウェイトの計算におけるモードベクトルの一例を示す説明図である。なお、図１９では、説明の簡略化のため、ある１つの無線リソース（１ＲＢ）を対象とした場合のＢＦウェイトの計算処理について示す。
【0067】
図１９において、まず、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、対象のＲＢに割り当てられるすべてのＵＥ６１の角度情報（方位角φ、仰角θ）を取得する（Ｓ１２１）。
【0068】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、ダウンリンク通信に用いるビームフォーミングの方式（ＢＦ方式）の種類を判断し（図１９のＳ１２２）、第１のＢＦ方式（ＢＦ方式１）の場合は、前記取得した角度情報（方位角φ、仰角θ）に基づいて、図２０に例示するビームステアリングのウェイト（ＢＦウェイト）を計算する（図１９のＳ１２３）。この第１のＢＦ方式（ＢＦ方式１）の場合は、ＢＦウェイトを計算するときの演算量が、次の第２のＢＦ方式（ＢＦ方式２）の場合よりも少ない。なお、この第１のＢＦ方式（ＢＦ方式１）の場合は、ＵＥ間の干渉（ビーム間干渉）などが考慮されない簡易な計算方式であるが、当該ＲＢに割り当てられる複数のＵＥ６１は、前述のように互いに空間相関の低いので、ＵＥ間の干渉（ビーム間干渉）は発生しにくい。
【0069】
第２のＢＦ方式（ＢＦ方式２）の場合、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、前記取得した角度情報（方位角φ、仰角θ）に基づいて、各ＵＥ６１のＣＳＩ（ＨＡＰＳ１０とＵＥ６１との間のチャネル状態情報）を推定（復元）し（図１９のＳ１２４）、推定（復元）した各ＵＥ６１のＣＳＩに基づいて、図２１に例示するビームステアリングのウェイト（ＢＦウェイト）を計算する（図１９のＳ１２５）。この第２のＢＦ方式（ＢＦ方式２）の場合は、ＣＳＩの推定結果（復元結果）に基づいてＢＦウェイトを計算しているので、ＢＦウェイトの計算に、ＣＳＩに基づく任意の一般的なＢＦアルゴリズムを利用することができ、また、ビームフォーミングの精度が前述の第１のＢＦ方式（ＢＦ方式１）の場合よりも高く、より高度なビームフォーミング制御が可能となる。例えば、ＢＦアルゴリズムとしてＺｅｒｏ－Ｆｏｒｃｉｎｇを用いた場合、図２１に例示するように各ＵＥに向かうビーム１００Ｂの互いに隣接する部分１０１Ｂの指向性がヌルになって無干渉になり、ＵＥ間干渉がゼロになる。
【0070】
次に、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、各ＵＥ６１とのダウンリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信に用いるＢＦウェイトの計算結果を、後述のＢＦ乗算部に送る（図１９のＳ１２６）。
【0071】
図２２は、図２１の第２のＢＦ方式（ＢＦ方式２）の場合のＢＦウェイトの計算におけるＣＳＩの推定（復元）に用いるモードベクトルの一例を示す説明図である。前述のように、ＨＡＰＳシステムの場合は、電波の伝搬距離Ｄに対してマルチパスによるＵＥ６１の散乱エリア６１Ａが狭く、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナから見た散乱エリア６１Ａの見込み角度θｐが小さい。そのため、例えば図２２に例示するようにＵＥ６１からＨＡＰＳ１０に向かう電波は、直接波とマルチパスの反射波とを区別する必要がなく、反射波を含めて一つの直接波の集合と見なせる。従って、図中のＨＡＰＳ１０のアレーアンテナに対するモードベクトルａ（φ，θ）をＣＳＩとして代用することができる。
【0072】
ここで、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナから見たＵＥ６１の方位角及び仰角をそれぞれφ及びθとし、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子の総素子数をＮｔとすると、複数のアンテナ素子に対する１×Ｎｔの要素からなる振幅応答ベクトルｇ（φ，θ）及び位相差応答ベクトルｄ（φ，θ）はそれぞれ次式（１）及び次式（２）で表される。
【数1】
【数2】
【0073】
上記式（１）中の
は、第ｉ番目のアンテナ素子の振幅応答関数であり、上記式（２）中の
は、第ｉ番目のアンテナ素子の位相差応答関数である。
【数3】
【数4】
【0074】
上記式（１）の振幅応答ベクトルｇ（φ，θ）と上記式（２）の位相差応答ベクトルｄ（φ，θ）とを用いて、上記ＣＳＩとして代用できる１×Ｎｔの要素からなるモードベクトルａ（φ，θ）は、次式（３）で計算することができる。
【数5】
【0075】
上記式（３）中の
は、アダマール積の演算子である。なお、上記式（３）のモードベクトルａ（φ，θ）を計算することで推定（復元）されたＣＳＩには伝搬路損失（パスロス）の影響は含まれない。
【数6】
【0076】
ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０が前述の図５のシリンダー型のアレーアンテナ１３０の場合、上記ＣＳＩに代用できるモードベクトルａ（φ，θ）は次のように計算することができる。
【0077】
図２３は、シリンダー型アレーアンテナの場合のＣＳＩの推定（復元）における仮想水平面の座標、アンテナ素子１３０ａの配置及びＵＥ６１の方位角φの一例を示す説明図である。図２３の仮想水平面に沿った水平方向（方位角方向）の位相差応答ベクトルｄＨ（φ）は次式（４）及び次式（５）で表される。式中のＮは仮想水平面におけるアンテナ素子の数（水平素子数）であり、ｒはシリンダー形状のアンテナ基体の半径（アンテナ素子が配置されている円形状の半径）である。式（５）は、仮想水平面における第ｎ番目のアンテナ素子の位相差応答関数である。なお、式（５）において、ｊは虚数単位、πは円周率、λは搬送波の波長を表す。
【数7】
【数8】
【0078】
図２４は、シリンダー型アレーアンテナの場合のＣＳＩの推定（復元）における仮想垂直面の座標、アンテナ素子１３０ａの配置及びＵＥ６１の仰角θの一例を示す説明図である。図２４の仮想垂直面に沿った垂直方向（仰角方向）の位相差応答ベクトルｄＶ（θ）は次式（６）及び次式（７）で表される。式中のＭは仮想垂直面におけるアンテナ素子の数（垂直素子数）であり、ｄはアンテナ素子の間隔（素子間隔）である。式（７）は、仮想垂直面における第ｍ番目のアンテナ素子の位相差応答関数である。なお、式（７）において、ｊは虚数単位、πは円周率、λは搬送波の波長を表す。
【数9】
【数10】
【0079】
上記仮想水平面における式（４）の位相差応答ベクトルｄＨ（φ）と、上記仮想垂直面における式（６）の位相差応答ベクトルｄＶ（θ）とを用いて、シリンダー型のアレーアンテナを構成するすべてのアンテナ素子に対する位相差応答ベクトルｄ（φ，θ）は、次式（８）で表される。
【数11】
【0080】
上記式（８）中の
はクロネッカー積の演算子である。
【数12】
はクロネッカー積の演算子である。
【0081】
前述の式（１）の振幅応答ベクトルｇ（φ，θ）と上記式（８）の位相差応答ベクトルｄ（φ，θ）とに基づいて、前述の式（３）に示すように、上記ＣＳＩとして代用できるモードベクトルａ（φ，θ）を計算することができる。
【0082】
図２５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２５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とを備える。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
図２６は、図２５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。なお、図２６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を省略されている。
【0092】
図２６において、基地局処理部１１９は、ダウンリンク（ＤＬ）送信部１１９０と、送受信切替制御部１１９１と、角度推定処理部１１９２と、ＵＥ選択処理部（ユーザ選択処理部）１１９３と、ＢＦウェイト計算部１１９４と、ＢＦウェイト乗算部１１９５と、ＲＢ割り当て処理部１１９６と、ＯＦＤＭ変調部１１９７とを備える。ＤＬ送信部１１９０は、ＢＦウェイト乗算部１１９５と、ＲＢ割り当て処理部１１９６と、複数のＯＦＤＭ変調部１１９７とを有し、ダウンリンクのＭＵ－ＭＩＭＯ通信における複数のレイヤ（ストリーム）による送信信号処理を行う。
【0093】
送受信切替制御部１１９１は、サービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２によってセル１００Ｃ内の各ＵＥ６１から受信された複数のアンテナ素子からのアップリンク信号を、角度推定処理部１１９２に渡す。また、送受信切替制御部１１９１は、ＤＬ送信部１１９０によって同時生成された複数のレイヤ（ストリーム）それぞれの送信信号（ＩＱ信号）を、送受信部１１２に渡す。
【0094】
角度推定処理部１１９２は、前述の図１２に例示したように、セル１００Ｃ内のすべてのＵＥ６１のそれぞれから受信したＵＥ識別可能な任意のアップリンク信号に基づいて、アレーアンテナ１３０の位置を基準にした各ＵＥ６１の方向を示す角度情報（方位角φ、仰角θ）を推定する。
【0095】
ＵＥ選択処理部（ユーザ選択処理部）１１９３は、前述の図１４に例示したように、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う対象のすべてのＵＥ６１の角度情報（方位角φ、仰角θ）に基づいて、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信に用いる複数の時間・周波数のリソースブロック（ＲＢ）のそれぞれについて、ＲＥに割り当てるＵＥ６１を選択する。各ＲＥに割り当てられたＵＥ６１の選択情報は、ＲＢ割り当て処理部１１９６に送られる。
【0096】
ＢＦウェイト計算部１１９４は、前述の図１９に例示したように、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う対象のすべてのＵＥ６１のそれぞれについて、ＵＥ６１の角度情報（方位角φ、仰角θ）に基づいて、各ＵＥの送信信号を送信するときにシンボルに乗算されるビームステアリング（ビームフォーミング制御）のためのＢＦウェイトを計算する。各ＵＥ６１のＢＦウェイトの計算結果は、ＢＦウェイト乗算部１１９５に送られる。
【0097】
ＢＦウェイト乗算部１１９５は、ＢＦウェイト計算部１１９４から受けたＢＦウェイトの計算結果に基づいて、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う対象のすべてのＵＥ６１のそれぞれについて、所定数のレイヤ（送信ストリーム）にマッピングされたＵＥ６１に対するシンボルのそれぞれに当該ＵＥ６１に対応するＢＦウェイトを乗算する。
【0098】
ＲＢ割り当て処理部１１９６は、ＵＥ選択処理部（ユーザ選択処理部）１１９３から受けたＵＥ（ユーザ）選択情報に基づいて、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う対象のすべてのＵＥ６１のそれぞれについて、上記ＢＦウェイトが乗算されたＵＥ６１のシンボルが当該ＵＥ６１に対応するＲＢに割り当てる。
【0099】
複数のＯＦＤＭ変調部１１９７は、ダウンリンクＭＵ－ＭＩＭＯ通信の所定数のレイヤ（送信ストリーム）にマッピングされた複数のシンボルのそれぞれについてＯＦＤＭ変調を行って複数のＩＱ信号を生成し、送受信切替制御部１１９１に出力する。
【0100】
以上、本実施形態によれば、上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０とセル１００Ｃ内の複数のＵＥ６１との間で、多素子のアレーアンテナを用いてＭＵ－ＭＩＭＯ通信を行う場合に、セル１００Ｃに在圏するＵＥ６１の数が増加した場合でもＵＥ６１及び中継通信局１１０におけるオーバーヘッドの増加を抑制しつつ、セル１００Ｃ全体の通信品質の改善及びシステム容量の拡大を図ることができる。
【0101】
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。
【0102】
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。
【0103】
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。
【0104】
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。
【0105】
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】
【0106】
１０ ：ＨＡＰＳ
１０Ａ ：サービスエリア
６１ ：端末装置（ＵＥ）
６１Ａ ：散乱エリア
７０ ：フィーダ局（ＧＷ局）
７１ ：アンテナ
８０ ：移動通信網
１００Ａ ：サービスエリア
１００Ｂ ：ビーム
１００Ｃ ：セル
１００Ｆ ：フットプリント
１１０ ：中継通信局
１１１ ：サービスリンク用アンテナ部
１１２ ：送受信部
１１３ ：フィーダリンク用アンテナ部
１１４ ：送受信部
１１９ ：基地局処理部
１３０ ：アレーアンテナ
１３０ａ ：アンテナ素子
１１９０ ：ダウンリンク送信部
１１９１ ：送受信切替制御部
１１９２ ：角度推定処理部
１１９４ ：ＢＦウェイト計算部
１１９５ ：ＢＦウェイト乗算部
１１９６ ：当て処理部
１１９７ ：ＯＦＤＭ変調部
１０Ａ ：サービスエリア
６１ ：端末装置（ＵＥ）
６１Ａ ：散乱エリア
７０ ：フィーダ局（ＧＷ局）
７１ ：アンテナ
８０ ：移動通信網
１００Ａ ：サービスエリア
１００Ｂ ：ビーム
１００Ｃ ：セル
１００Ｆ ：フットプリント
１１０ ：中継通信局
１１１ ：サービスリンク用アンテナ部
１１２ ：送受信部
１１３ ：フィーダリンク用アンテナ部
１１４ ：送受信部
１１９ ：基地局処理部
１３０ ：アレーアンテナ
１３０ａ ：アンテナ素子
１１９０ ：ダウンリンク送信部
１１９１ ：送受信切替制御部
１１９２ ：角度推定処理部
１１９４ ：ＢＦウェイト計算部
１１９５ ：ＢＦウェイト乗算部
１１９６ ：当て処理部
１１９７ ：ＯＦＤＭ変調部
【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】
