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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-05
(45)【発行日】2024-08-14
(54)【発明の名称】広域セル基地局及び地上セル基地局を備えるシステム
(51)【国際特許分類】
H04W 16/28 20090101AFI20240806BHJP
H04W 84/06 20090101ALI20240806BHJP
H04B 7/185 20060101ALI20240806BHJP
【ＦＩ】
H04W16/28
H04W84/06
H04B7/185
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2023017329
(22)【出願日】2023-02-08
【審査請求日】2023-02-08
【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４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
(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】石川 力
(72)【発明者】
【氏名】星野 兼次
(72)【発明者】
【氏名】長手 厚史
【審査官】中村 信也
(56)【参考文献】
【文献】田代 晃司，地上モバイルネットワークとの周波数共用を実現するためのＨＡＰＳ向けヌルステアリング技術，電子情報通信学会技術研究報告 Ｖｏｌ．１２１ Ｎｏ．７２ ，日本，一般社団法人電子情報通信学会，2021年06月16日，第121巻，p.267－272
【文献】石川 力，ＨＡＰＳ－地上間干渉を低減するヌルスイーピング方式の基礎検討，電子情報通信学会２０２３年総合大会講演論文集 通信１，2023年02月28日，p.300
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ ７／１４－７／２２
Ｈ０４Ｂ ７／２４－７／２６
Ｈ０４Ｗ ４／００－９９／００
３ＧＰＰ ＴＳＧ ＲＡＮ ＷＧ１－４
ＳＡ ＷＧ１－４
ＣＴ ＷＧ１、４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
上空に位置する飛行体又は浮揚体に設けられた中継通信局のサービスリンクアンテナから地上又は海上に向けて広域セルを形成する広域セル基地局と、地上又は海上に配置されたアンテナから地上セルを形成する一又は複数の地上セル基地局と、を備えるシステムであって、
前記広域セル基地局及び前記一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行い、
前記広域セル基地局は、
自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、時間及び周波数の少なくとも一方に応じて、前記地上セルに向う方向が互いに異なる複数のヌルを切り替えて形成するヌル形成方式を選択し、
前記ヌル形成方式に基づいて、前記地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように前記中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する、
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、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに、前記切り替えて形成するヌルの数を変える、
ことを特徴とするシステム。
【請求項3】
請求項１のシステムにおいて、
前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が異なる無線リソースについて、前記地上セル基地局のアンテナに向けて単一ヌルを形成するヌル形成方式を選択する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項4】
上空に位置する飛行体又は浮揚体に設けられた中継通信局のサービスリンクアンテナから地上又は海上に向けて広域セルを形成する広域セル基地局と、地上又は海上に配置されたアンテナから地上セルを形成する一又は複数の地上セル基地局と、を備えるシステムであって、
前記広域セル基地局及び前記一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行い、
前記広域セル基地局は、
自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、前記地上セルごとに同時に複数のヌルを形成するヌル形成方式を選択し、
前記ヌル形成方式に基づいて、前記地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように前記中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項5】
請求項４のシステムにおいて、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに、前記同時に形成するヌルの数を変える、
ことを特徴とするシステム。
【請求項6】
請求項４のシステムにおいて、
前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が異なる無線リソースについて、前記地上セル基地局のアンテナに向けて単一ヌルを形成するヌル形成方式を選択する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項7】
上空に位置する飛行体又は浮揚体に設けられた中継通信局のサービスリンクアンテナから地上又は海上に向けて広域セルを形成する広域セル基地局と、地上又は海上に配置されたアンテナから地上セルを形成する一又は複数の地上セル基地局と、を備えるシステムであって、
前記広域セル基地局及び前記一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行い、
前記広域セル基地局は、
自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、前記地上セルごとに同時に複数のヌルを形成する際に、時間及び周波数の少なくとも一方に応じて、前記地上セルごとにヌルのグループを切り替えて形成するヌル形成方式を選択し、
前記ヌル形成方式に基づいて、前記地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように前記中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項8】
請求項７のシステムにおいて、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに前記同時に形成するヌルの数及び前記切り替えて形成するヌルの数の少なくとも一方を変える、
ことを特徴とするシステム。
【請求項9】
請求項７のシステムにおいて、
前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が異なる無線リソースについて、前記地上セル基地局のアンテナに向けて単一ヌルを形成するヌル形成方式を選択する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項10】
請求項１乃至９のいずれかのシステムにおいて、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、
時分割複信（ＴＤＤ）方式でサービスリンクの通信を行い、
自セルの上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報を、前記広域セル基地局に送信し、
前記広域セル基地局は、
前記複数の地上セル基地局のそれぞれから、前記上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報を受信し、
地上セル基地局データベースから、前記広域セル内に位置する地上セル基地局に関する情報を取得し、
前記複数の地上セル基地局のそれぞれから受信した前記上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報と、前記地上セル基地局データベースから取得した前記地上セル基地局に関する情報とに基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当てに関するヌルスケジューリングを、前記地上セル基地局ごとに決定し、
前記ヌルスケジューリングの情報を前記複数の地上セル基地局のそれぞれに送信し、
前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、
前記広域セル基地局から、自身の地上セル基地局に関するヌルスケジューリングの情報を受信し、
前記ヌルのスケジューリングの情報に基づいて、前記広域セルから自セルに在圏するユーザの端末装置に対する干渉を推定し、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの端末装置の割り当てに関するユーザ・スケジューリングを決定し、
前記ユーザ・スケジューリングの情報に基づいて、自セルに在圏するユーザの端末装置と通信を行う、
ことを特徴とするシステム。
【請求項11】
請求項１０のシステムにおいて、前記地上セル基地局は、前記ユーザ・スケジューリングにおいて、
複数（Ｎ）の未割り当てユーザの端末装置のユーザ番号ｕの第１集合の設定及び貪欲法で処理する複数（Ｎ）の無線リソースについてのリソース番号ｉの順番の第２集合の設定を含む初期化処理と、
前記第２集合のリソース番号ｉの１番目（ｋ＝１）からＮ番目（ｋ＝Ｎ）の順に、前記第２集合のｋ番目のリソース番号ｋをユーザ割り当て対象のリソース番号ｉとして設定し、リソース番号ｉの無線リソースを割り当てた場合に推定される干渉電力が最小となるユーザの端末装置のユーザ番号ｕを、前記リソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉとして割り当て、割り当てが確定したユーザ番号ｕｉを前記第１集合から削除する処理と、を実行する、
ことを特徴とするシステム。
【請求項12】
請求項１乃至９のいずれかのシステムにおいて、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、周波数分割複信（ＦＤＤ）方式でサービスリンクの通信を行い、
前記広域セル基地局は、
地上セル基地局データベースから、前記広域セル内に位置する複数の地上セル基地局に関する情報を取得し、
前記地上セル基地局データベースから取得した前記地上セル基地局に関する情報に基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当てに関するヌルスケジューリングを、前記地上セル基地局ごとに決定し、
前記ヌルスケジューリングの情報を前記複数の地上セル基地局のそれぞれに送信し、
前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、
前記広域セル基地局から、自局に関するヌルスケジューリングの情報を受信し、
前記ヌルのスケジューリングの情報に基づいて、前記広域セルから自セルに在圏するユーザの端末装置に対する干渉を推定し、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの端末装置の割り当てに関するユーザ・スケジューリングを決定し、
前記ユーザ・スケジューリングの情報に基づいて、自セルに在圏するユーザの端末装置と通信を行う、
ことを特徴とするシステム。
【請求項13】
請求項１２のシステムにおいて、前記地上セル基地局は、前記ユーザ・スケジューリングにおいて、
複数（Ｎ）の未割り当てユーザの端末装置のユーザ番号ｕの第１集合の設定及び貪欲法で処理する複数（Ｎ）の無線リソースについてのリソース番号ｉの順番の第２集合の設定を含む初期化処理と、
前記第２集合のリソース番号ｉの１番目（ｋ＝１）からＮ番目（ｋ＝Ｎ）の順に、前記第２集合のｋ番目のリソース番号ｋをユーザ割り当て対象のリソース番号ｉとして設定し、リソース番号ｉの無線リソースを割り当てた場合に推定される干渉電力が最小となるユーザの端末装置のユーザ番号ｕを、前記リソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉとして割り当て、割り当てが確定したユーザ番号ｕｉを前記第１集合から削除する処理と、を実行する、
ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、上空のＨＡＰＳ等に搭載された中継通信局から地上セルへの干渉を抑圧する技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、上空に位置する高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）、地球低軌道（ＬＥＯ）衛星、静止軌道（ＧＥＯ）衛星等に搭載されたリピータ型又は基地局装置型の中継通信局から地上又は海上に向けて広域セルを形成する基地局（以下「広域セル基地局」という。）が知られている。このような広域セル基地局がＵＥ（端末）とサービスリンクの通信を行うシステム（以下「上空システム」という。）と、既存の地上セル基地局がＵＥ（端末）とサービスリンクの通信を行うシステム（以下「地上システム」という。）が混在する環境において、同一周波数帯を利用して同時に通信を行う場合、上空システムの中継通信局からの信号が地上システムへの干渉となる。この上空システムからの干渉が発生すると、地上システムのスループットが大きく低下する。同様に、地上システムからの信号も上空システムへの干渉となる。この地上システムからの干渉が発生すると、上空システムのスループットが低下する。
【0003】
特許文献１には、ｅＮＢ（地上セル基地局）のマップに基づいて、地上セル基地局にヌルを向けて指向性ビームを形成するように上空のＨＡＰのアンテナシステムを調整することにより、地上セルでカバーされている領域を排除又は回避し、地上システムへの干渉を抑圧（低減）する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２７２１３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上空システム及び地上システムの混在環境において上空システムから地上システムへの干渉及び地上システムから上空システムへの干渉を抑圧（低減）するために、上空の中継通信局から地上セル基地局のアンテナに向けて指向性ビームのヌルを形成して干渉を抑圧するときの残留干渉を低減したいという課題がある。
【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、上空に位置する飛行体又は浮揚体に設けられた中継通信局のサービスリンクアンテナから地上又は海上に向けて広域セルを形成する広域セル基地局と、地上又は海上に配置されたアンテナから地上セルを形成する一又は複数の地上セル基地局と、を備えるシステムである。前記広域セル基地局及び前記一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行う。前記広域セル基地局は、前記広域セル及び前記地上セルの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に応じてヌル形成方式を決定し、前記ヌル形成方式に基づいて、前記地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように前記中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する。
【0007】
前記システムにおいて、前記地上セル基地局の数は複数であり、前記広域セル基地局は、前記複数の地上セル基地局について、前記サービスリンク通信の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に応じてヌル形成方式を切り替えてもよい。
【0008】
前記システムにおいて、前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が異なる無線リソースについて、前記地上セル基地局のアンテナに向けて単一ヌルを形成するヌル形成方式を選択してもよい。
【0009】
前記システムにおいて、前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、時間及び周波数の少なくとも一方に応じて、前記地上セルごとにヌルを切り替えて形成するヌル形成方式を選択してもよい。ここで、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに、前記切り替えて形成するヌルの数を変えてもよい。
【0010】
前記システムにおいて、前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、前記地上セルごとに同時に複数のヌルを形成するヌル形成方式を選択してもよい。ここで、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに、前記同時に形成するヌルの数を変えてもよい。
【0011】
前記システムにおいて、前記広域セル基地局は、自局の無線フレームにおける無線リソースのうち、前記広域セルと前記地上セルとの間で上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の通信方向が同じである無線リソースについて、前記地上セルごとに同時に複数のヌルを形成する際に、時間及び周波数の少なくとも一方に応じて、前記地上セルごとにヌルのグループを切り替えて形成するヌル形成方式を選択してもよい。ここで、前記広域セル基地局は、前記地上セルごとに前記同時に形成するヌルの数及び前記切り替えて形成するヌルの数の少なくとも一方を変えてもよい。
【0012】
前記システムにおいて、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、時分割複信（ＴＤＤ）方式でサービスリンクの通信を行い、自セルの上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報を、前記広域セル基地局に送信し、前記広域セル基地局は、前記複数の地上セル基地局のそれぞれから、前記上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報を受信し、地上セル基地局データベースから、前記広域セル内に位置する地上セル基地局に関する情報を取得し、前記複数の地上セル基地局のそれぞれから受信した前記上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の切り替え情報と、前記地上セル基地局データベースから取得した前記地上セル基地局に関する情報とに基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当てに関するヌルスケジューリングを、前記地上セル基地局ごとに決定し、前記ヌルスケジューリングの情報を前記複数の地上セル基地局のそれぞれに送信し、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、前記広域セル基地局から、自身の地上セル基地局に関するヌルスケジューリングの情報を受信し、前記ヌルのスケジューリングの情報に基づいて、前記広域セルから自セルに在圏するユーザの端末装置に対する干渉を推定し、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの端末装置の割り当てに関するユーザ・スケジューリングを決定し、前記ユーザ・スケジューリングの情報に基づいて、自セルに在圏するユーザの端末装置と通信を行ってもよい。
【0013】
ここで、前記地上セル基地局は、前記ユーザ・スケジューリングにおいて、複数（Ｎ）の未割り当てユーザの端末装置のユーザ番号ｕの第１集合の設定及び貪欲法で処理する複数（Ｎ）の無線リソースについてのリソース番号ｉの順番の第２集合の設定を含む初期化処理と、前記第２集合のリソース番号ｉの１番目（ｋ＝１）からＮ番目（ｋ＝Ｎ）の順に、前記第２集合のｋ番目のリソース番号ｋをユーザ割り当て対象のリソース番号ｉとして設定し、リソース番号ｉの無線リソースを割り当てた場合に推定される干渉電力が最小となるユーザの端末装置のユーザ番号ｕを、前記リソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉとして割り当て、割り当てが確定したユーザ番号ｕｉを前記第１集合から削除する処理と、を実行しもよい。
【0014】
前記システムにおいて、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、周波数分割複信（ＦＤＤ）方式でサービスリンクの通信を行い、前記広域セル基地局は、地上セル基地局データベースから、前記広域セル内に位置する複数の地上セル基地局に関する情報を取得し、前記地上セル基地局データベースから取得した前記地上セル基地局に関する情報に基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当てに関するヌルスケジューリングを、前記地上セル基地局ごとに決定し、前記ヌルスケジューリングの情報を前記複数の地上セル基地局のそれぞれに送信し、前記複数の地上セル基地局はそれぞれ、前記広域セル基地局から、自局に関するヌルスケジューリングの情報を受信し、前記ヌルのスケジューリングの情報に基づいて、前記広域セルから自セルに在圏するユーザの端末装置に対する干渉を推定し、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの端末装置の割り当てに関するユーザ・スケジューリングを決定し、前記ユーザ・スケジューリングの情報に基づいて、自セルに在圏するユーザの端末装置と通信を行ってもよい。
【0015】
ここで、前記地上セル基地局は、前記ユーザ・スケジューリングにおいて、複数（Ｎ）の未割り当てユーザの端末装置のユーザ番号ｕの第１集合の設定及び貪欲法で処理する複数（Ｎ）の無線リソースについてのリソース番号ｉの順番の第２集合の設定を含む初期化処理と、前記第２集合のリソース番号ｉの１番目（ｋ＝１）からＮ番目（ｋ＝Ｎ）の順に、前記第２集合のｋ番目のリソース番号ｋをユーザ割り当て対象のリソース番号ｉとして設定し、リソース番号ｉの無線リソースを割り当てた場合に推定される干渉電力が最小となるユーザの端末装置のユーザ番号ｕを、前記リソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉとして割り当て、割り当てが確定したユーザ番号ｕｉを前記第１集合から削除する処理と、を実行しもよい。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、広域セルを形成する上空の中継通信局から地上セル基地局のアンテナに向けて指向性ビームのヌルを形成するときの残留干渉を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図14】図１４（ａ）は、実施形態のＨＡＰＳの中継通信局からのビームフォーミング制御で選択して適用可能な第１のヌル形成方式Ａ－１において地上セルに向けて形成される複数のヌルの例を示す説明図である。図１４（ｂ）は、第１のヌル形成方式Ａ－１における時間軸上のヌルスイーピングの切り替え例を示す説明図である。
【図17】図１７（ａ）は、実施形態のＨＡＰＳの中継通信局からのビームフォーミング制御で選択して適用可能な第３のヌル形成方式Ｂ－１において地上セルに向けて形成される複数のヌルの例を示す説明図である。図１７（ｂ）は、第３のヌル形成方式Ｂ－１における時間軸上のヌルスイーピングの切り替え例を示す説明図である。
【図19】図１９（ａ）は、実施形態のＨＡＰＳの中継通信局からのビームフォーミング制御で選択して適用可能な第５のヌル形成方式Ｃ－１において地上セルに向けて形成される複数のヌルの例を示す説明図である。図１９（ｂ）は、第５のヌル形成方式Ｃ－１における時間軸上のヌルスイーピングの切り替え例を示す説明図である。
【図21】図２１（ａ）は、第５のヌル形成方式Ｃ－１において地上セルに向けて形成される複数のヌルの他の例を示す説明図である。図２１（ｂ）は、第５のヌル形成方式Ｃ－１における時間軸上のヌルスイーピングの切り替えの他の例を示す説明図である。
【図26】図２６は、実施形態に係る通信システムにおけるヌル形成を伴うビームフォーミング制御及びサービスリンク通信を行うときのＨＡＰＳ基地局及び地上セル基地局における処理フローの一例を示すフローチャートである。
【図28】図２８は、図２７のリソース制御アルゴリズムを適用した場合の地上セル基地局におけるユーザスケジューリングアルゴリズムにおけるリソース番号ｉ、地上基地局ユーザ番号ｕ及びリソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉの設定例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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通信を行うことができる広域セル基地局（ＨＡＰＳ基地局）の中継通信局が搭載された飛行体又は浮揚体である上空滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）を備える通信システム（ＨＡＰＳシステム）である。この通信システム（ＨＡＰＳシステム）は、広域セルである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）が位置する場合に、ＨＡＰＳの中継通信局から地上セル基地局のアンテナに向けて指向性ビームのヌルを形成して干渉を抑圧するときの残留干渉を低減することができる。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通信を行うことができる広域セル基地局（ＨＡＰＳ基地局）の中継通信局が搭載された飛行体又は浮揚体である上空滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）を備える通信システム（ＨＡＰＳシステム）である。この通信システム（ＨＡＰＳシステム）は、広域セルである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）が位置する場合に、ＨＡＰＳの中継通信局から地上セル基地局のアンテナに向けて指向性ビームのヌルを形成して干渉を抑圧するときの残留干渉を低減することができる。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。
【0019】
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を構成するＨＡＰＳシステムは、中継通信局が搭載された飛行体又は浮揚体である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広域セル（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飛行体又は浮揚体（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、地球低軌道（ＬＥＯ）衛星、静止軌道（ＧＥＯ）衛星等の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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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（「ＨＡＰＳサービスエリア」ともいう。）１００Ａの半径は、例えば数１０［ｋｍ］～１００［ｋｍ］である。
【0023】
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。
【0024】
本実施形態の通信システムは、広域セル基地局（以下「ＨＡＰＳ基地局」ともいう。）を構成する上空の中継通信局を搭載した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「地上セル基地局」又は「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次元のセル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。
【0025】
ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局を含む広域セル基地局と、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、互いに時間同期された無線フレーム及び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に搭載された中継通信局は、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に搭載された中継通信局（「無線中継局」ともいう。）は、リピータ型の中継通信局であってもよいし、又は、基地局装置型の中継通信局であってもよい。リピータ型の中継通信局は、フィーダ局７０に搭載される基地局装置と組み合わされて広域セル基地局を構成する。基地局装置型の中継通信局は、広域セル基地局として機能する。
【0028】
リピータ型の中継通信局は、例えば、リピータと周波数変換装置とを有する。リピータは、サービスリンクアンテナを介して受信したサービスリンクの受信信号を増幅する低ノイズ増幅器、サービスリンクアンテナを介して送信する送信信号を増幅する電力増幅器等を有する。周波数変換装置は、サービスリンクの周波数とフィーダリンクの周波数との間の変換を行う。フィーダ局７０は、例えば、基地局装置と周波数変換装置を有する。基地局装置は、サービスリンクのベースバンド信号を処理するベースバンド処理装置、バックホール回線を介してコアネットワークと通信するための通信インターフェース部等を有する。周波数変換装置は、基地局装置に対して入出力されるサービスリンク信号の周波数とフィーダリンク信号の周波数との間の変換を行う。
【0029】
基地局装置型の中継通信局は、例えば、基地局装置とフィーダリンク送受信機とを有する。基地局装置は、サービスリンクの受信信号を増幅する低ノイズ増幅器、サービスリンクアンテナを介して送信する送信信号を増幅する電力増幅器、サービスリンクのベースバンド信号処理するベースバンド処理装置などを有する。フィーダリンク送受信機は、フィーダ局７０との間で送受信されるバックホール回線の信号の送信及び受信を行う。フィーダ局７０は、上空の中継通信局との間で送受信されるバックホール回線の信号の送信及び受信を行う。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
［ヌル形成時の残留干渉］
ＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０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）のヌルを向けて形成する場合の残留干渉について説明する。この残留干渉の発生には、以下に示すように、単一のヌルで干渉を回避できる範囲（以下「ヌル領域」という。）とヌルを向ける地上基地局３０の地上セル３００Ｃとの間の大小関係、及び、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の通信方向の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に影響を受ける。
ＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０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）のヌルを向けて形成する場合の残留干渉について説明する。この残留干渉の発生には、以下に示すように、単一のヌルで干渉を回避できる範囲（以下「ヌル領域」という。）とヌルを向ける地上基地局３０の地上セル３００Ｃとの間の大小関係、及び、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の通信方向の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に影響を受ける。
【0048】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、ＨＡＰＳ１０のサービスリンクアンテナ１３０の素子数によって変化するヌル領域を示す説明図である。サービスリンクアンテナ１３０がＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯアンテナなど、素子数が多く高利得なアンテナである場合は、単一のヌルで干渉を回避できるヌル領域１００Ｎは狭くなる。例えば、図８（ａ）に示すように素子数が少ない小規模アレーアンテナ１３０Ｓがサービスリンクアンテナに用いられ、ヌル領域１００Ｎが地上セル３００Ｃの範囲である地上セル３００Ｃの領域よりも広い場合は、地上セル３００Ｃの全域でＨＡＰＳ１０からの残留干渉が小さい。一方、図８（ｂ）に示すように素子数が多い大規模アレーアンテナ１３０Ｌがサービスリンクアンテナに用いられ、ヌル領域１００Ｎが地上セル３００Ｃの領域よりも狭い場合は、地上セル３００Ｃのセル端部でＨＡＰＳ１０からの残留干渉が大きい。
【0049】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、ＨＡＰＳ１０のサービスリンクアンテナ１３０と地上基地局（アンテナ）３０との間の距離によって変化するヌル領域を示す説明図である。ＨＡＰＳ１０が低高度を飛行するほど、単一ヌルを向ける場合のヌル領域１００Ｎが狭くなる。例えば、図９（ａ）に示すようにＨＡＰＳ１０と地上基地局（アンテナ）３０との間の距離が長く、ヌル領域１００Ｎが地上セル３００Ｃの範囲である地上セル３００Ｃの領域よりも広い場合は、地上セル３００Ｃの全域でＨＡＰＳ１０からの残留干渉が小さい。一方、図９（ｂ）に示すようにＨＡＰＳ１０と地上基地局（アンテナ）３０との間の距離が短く、ヌル領域１００Ｎが地上セル３００Ｃの領域よりも狭い場合は、地上セル３００Ｃのセル端部でＨＡＰＳ１０からの残留干渉が大きくなる。
【0050】
【0051】
図１０は、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の方向（ＵＬ，ＤＬ）が同一である場合の残留干渉の発生状況を示す説明図である。図１０の例では、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００ＣのそれぞれでＦＤＤ（周波数分割多重複信）方式が用いられ、ＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０に向けて単一のヌルを形成している。例えば、図１０の左半分に示すようにＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃのそれぞれで上りリンク（ＵＬ）通信を行う場合、地上セル在圏ユーザのＵＥ６５（１）からＨＡＰＳ１０への残留干渉が発生する。また、図１０の右半分に示すようにＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃのそれぞれで下りリンク（ＤＬ）通信を行う場合、ＨＡＰＳ１０から地上セル在圏ユーザのＵＥ６５（２）への残留干渉が発生する。このようにＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０に向けて単一のヌルを形成したときに残留干渉が発生するため、これらの残留干渉を低減するための対策が必要になる。この対策のため、本実施形態では、後述のように新たな干渉低減方式を適用している。
【0052】
図１１は、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の方向（ＵＬ，ＤＬ）が異なる場合の残留干渉の発生状況を示す説明図である。図１１の例では、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００ＣのそれぞれでＴＤＤ（時分割多重複信）方式が用いられ、ＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０に向けて単一のヌルを形成している。例えば、図１１の左半分に示すようにＨＡＰＳセル１００Ｃで上りリンク（ＵＬ）通信を行い、地上セル３００Ｃで下りリンク（ＤＬ）通信を行う場合、地上セル基地局３０からＨＡＰＳ１０への残留干渉はない。また、図１１の右半分に示すようにＨＡＰＳセル１００Ｃで下りリンク（ＤＬ）通信を行い、地上セル３００Ｃで上りリンク（ＤＬ）通信を行う場合、ＨＡＰＳ１０から地上セル基地局３０への残留干渉はない。このようにＨＡＰＳ１０から地上基地局（アンテナ）３０に向けて単一のヌルを形成することにより干渉を完全に抑圧でき、残留干渉が発生しないため、残留干渉を低減するための対策は不要であり、特に新たな干渉低減方式は不要である。
【0053】
上記残留干渉を低減するため、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０を備えるＨＡＰＳ基地局（広域セル基地局）は、ＨＡＰＳセル１００Ｃ及び地上セル３００Ｃの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に応じて、複数種類のヌル形成方式から、ビームフォーミング制御で用いるヌル形成方式を選択して決定している。より具体的には、ＨＡＰＳ基地局は、複数の地上基地局３０について、自局及び地上基地局におけるＵＬ・ＤＬの状況に応じて、ヌル形成方式を次の（１）及び（２）のように切り替える。
（１）ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０でＵＬ・ＤＬが異なるリソース（前述の図１１のケース）：地上基地局アンテナの方向に単一ヌルを形成する。
（２）ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０でＵＬ・ＤＬが同じリソース（前述の図１０のケース）：後述の複数種類のヌル形成方式Ａ－１，Ａ－２，Ｂ－１、Ｂ－２、Ｃ－１，Ｃ－２のいずれか１つを適用する。
（１）ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０でＵＬ・ＤＬが異なるリソース（前述の図１１のケース）：地上基地局アンテナの方向に単一ヌルを形成する。
（２）ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０でＵＬ・ＤＬが同じリソース（前述の図１０のケース）：後述の複数種類のヌル形成方式Ａ－１，Ａ－２，Ｂ－１、Ｂ－２、Ｃ－１，Ｃ－２のいずれか１つを適用する。
【0054】
図１２は、実施形態の通信システムにおけるＦＤＤ運用時に適用するヌル形成方式の一例を示す説明図である。図１２のＦＤＤ運用時の例では、すべてのリソースでＨＡＰＳ１０及び地上セル基地局３０のサービスリンクの通信方向（ＵＬ・ＤＬ）が等しいため、すべてのリソースについて、ヌル形成方式Ａ－１，Ａ－２，Ｂ－１、Ｂ－２、Ｃ－１，Ｃ－２のいずれか１つを適用する。
【0055】
図１３は、実施形態の通信システムにおけるＴＤＤ運用時に適用するヌル形成方式の一例を示す説明図である。図１３のＴＤＤ運用時の例では、ＨＡＰＳ１０及び地上セル基地局３０のサービスリンクの通信方向（ＵＬ・ＤＬ）が異なるリソースについて、地上セル基地局３０のアンテナに向けて単一のヌルを形成する。また、ＨＡＰＳ１０及び地上基地局３０のサービスリンクの通信方向（ＵＬ・ＤＬ）が等しいリソースについて、ヌル形成方式Ａ－１，Ａ－２，Ｂ－１、Ｂ－２、Ｃ－１，Ｃ－２のいずれか１つを適用する。
【0056】
［ヌル形成方式Ａ－１］
前述のように、地上基地局３０のアンテナの方向へ向けた単一のヌルを利用する場合、地上セルの中心から離れるにつれて抑圧しきれない残留干渉の影響が大きくなる。第１のヌル形成方式Ａ－１は、このような残留干渉の低減に適するヌル形成方式である。
前述のように、地上基地局３０のアンテナの方向へ向けた単一のヌルを利用する場合、地上セルの中心から離れるにつれて抑圧しきれない残留干渉の影響が大きくなる。第１のヌル形成方式Ａ－１は、このような残留干渉の低減に適するヌル形成方式である。
【0057】
ヌル形成方式Ａ－１は、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、方向が異なる複数のヌルの候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり１つのヌルを選択し、時間軸上、周波数軸上、又は、その両方において、ヌルの方向を切り替えるヌルスイーピング方式である。
【0058】
例えば、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）の例では、方向が異なる３つのヌル１、２、３の候補があり、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、３つのヌル１、２、３の候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり１つのヌルを選択し、時間軸上においてヌルの方向を切り替えている。
【0059】
図１５（ａ）～図１５（ｃ）はそれぞれ、第１のヌル形成方式Ａ－１におけるヌルスイーピングの適用例を示す説明図である。図１５（ａ）の例では、無線リソース単位で選択するヌル１、２、３の方向を時間軸上で切り替えている。図１５（ｂ）の例では、無線リソース単位で選択するヌル１、２、３の方向を周波数軸上で切り替えている。図１５（ｃ）の例では、無線リソース単位で選択するヌル１、２、３の方向を時間軸上及び周波数軸上の両方で切り替えている。
【0060】
なお、上記ヌル形成方式Ａ－１の例では、無線リソース（時間・周波数リソース）あたりのヌル数を１としているが、地上セル３００Ｃ内のユーザ分布に応じて、無線リソース（時間・周波数リソース）に占めるヌルの割合を変えてもよい。
【0061】
ヌル形成方式Ａ－１によれば、各地上基地局３０において、ヌルスイーピングを考慮したユーザ・スケジューリングを行うことで、残留干渉の影響を最小限に抑えて、各地上セル３００Ｃのキャパシティを改善することができる。
【0062】
［ヌル形成方式Ａ－２］
上記ヌルスイーピングを行う際に最適なヌルの候補数とその方向は、地上セル３００Ｃごとに異なる。第２のヌル形成方式Ａ－２は、このような最適なヌルの候補数及び方向が地上セル３００Ｃごとに異なる場合に適したヌルスイーピング方式である。
上記ヌルスイーピングを行う際に最適なヌルの候補数とその方向は、地上セル３００Ｃごとに異なる。第２のヌル形成方式Ａ－２は、このような最適なヌルの候補数及び方向が地上セル３００Ｃごとに異なる場合に適したヌルスイーピング方式である。
【0063】
ヌル形成方式Ａ－２は、上記ヌル形成方式Ａ－１のヌルスイーピングにおいて地上セル３００Ｃごとにスイープするヌルの候補数及び方向の少なくとも一方を変える方式である。例えば、ヌル形成方式Ａ－２は、ヌルの候補数及び方向の少なくとも一方を次のＡ－２（１）～Ａ－２（３）の少なくとも一つに基づいて変化させる方式であってもよい。
Ａ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ａ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ａ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
Ａ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ａ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ａ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
【0064】
例えば、図１６の例は、ＨＡＰＳ－地上セル間の距離に応じてスイープするヌルの候補数を変える場合の例である。図１６の例では、ＨＡＰＳ１０との距離が近い地上セル３００Ｃ（１）に対するヌルの候補数が３つであり、ＨＡＰＳ１０との距離が遠い地上セル３００Ｃ（２）に対するヌルの候補数が２つである。
【0065】
ヌル形成方式Ａ－２によれば、地上セル３００Ｃごとにヌルの候補数と方向を適応的に制御することで、地上セル３００Ｃのパフォーマンスが改善する。また、不必要にヌルの候補数を増やさないことで、ＨＡＰＳ１０及び地上基地局３０の処理負荷を最低限にとどめられる。
【0066】
［ヌル形成方式Ｂ－１］
ＨＡＰＳ１０にサービスリンクアンテナとして搭載するアレーアンテナの構成（素子の半値幅や間隔など）によっては、ヌルの幅が極端に狭くなり、ＨＡＰＳ１０の機体の移動や回転によりわずかにヌル方向がずれる場合においても、干渉低減効果が大きく劣化する。第３のヌル形成方式Ｂ－１は、このようなＨＡＰＳ１０の機体の移動や回転に起因した干渉低減効果の劣化が発生する場合に適するヌル形成方式である。
ＨＡＰＳ１０にサービスリンクアンテナとして搭載するアレーアンテナの構成（素子の半値幅や間隔など）によっては、ヌルの幅が極端に狭くなり、ＨＡＰＳ１０の機体の移動や回転によりわずかにヌル方向がずれる場合においても、干渉低減効果が大きく劣化する。第３のヌル形成方式Ｂ－１は、このようなＨＡＰＳ１０の機体の移動や回転に起因した干渉低減効果の劣化が発生する場合に適するヌル形成方式である。
【0067】
ヌル形成方式Ｂ－１は、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、地上セル３００Ｃごとに、方向の異なる２つ以上のヌルを同時に形成するマルチヌルフォーミング方式である。
【0068】
【0069】
ヌル形成方式Ｂ－１によれば、地上セル３００Ｃごとに、複数のヌルを同時に形成することにより、実効的にヌルの幅が広がり、より広い範囲で干渉低減効果が期待できるため、ＨＡＰＳ１０の機体の移動や回転に対して高いロバスト性を実現できる。
【0070】
［ヌル形成方式Ｂ－２］
上記マルチヌルフォーミングを行う際に最適なヌルの候補数とその方向は、地上セル３００Ｃごとに異なる。第４のヌル形成方式Ｂ－２は、このような最適なヌルの候補数及び方向が地上セル３００Ｃごとに異なる場合に適したマルチヌルフォーミング方式である。
上記マルチヌルフォーミングを行う際に最適なヌルの候補数とその方向は、地上セル３００Ｃごとに異なる。第４のヌル形成方式Ｂ－２は、このような最適なヌルの候補数及び方向が地上セル３００Ｃごとに異なる場合に適したマルチヌルフォーミング方式である。
【0071】
ヌル形成方式Ｂ－２は、上記ヌル形成方式Ｂ－１のマルチヌルフォーミングにおいて地上セル３００Ｃごとに同時に形成するヌルの数及び方向の少なくとも一方を変える方式である。例えば、ヌル形成方式Ｂ－２は、同時に形成するヌルの数及び方向の少なくとも一方を次のＢ－２（１）～Ｂ－２（３）の少なくとも一つに基づいて変化させる方式であってもよい。
Ｂ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ｂ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ｂ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
Ｂ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ｂ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ｂ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
【0072】
例えば、図１８の例は、ＨＡＰＳ－地上セル間の距離に応じて地上セル３００Ｃに対して同時に形成するヌルの数を変える場合の例である。図１８の例では、ＨＡＰＳ１０との距離が近い地上セル３００Ｃ（１）に対して同時に形成するヌルの数が３つであり、ＨＡＰＳ１０との距離が遠い地上セル３００Ｃ（２）に対して同時に形成するヌルの数が２つである。
【0073】
ヌル形成方式Ｂ－２によれば、地上セル３００Ｃごとにヌルの数を適応的に制御することで、地上セル３００Ｃのパフォーマンスが改善する。また、同時に形成するヌル数の増加は、ＨＡＰＳ１０に搭載するサービスリンクアンテナ（アレーアンテナ）の自由度の減少と等価であるため、不必要にヌルの数を増やさないことにより、ＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０の通信容量（ＨＡＰＳセル在圏ユーザのＳＩＮＲ）の低下を最低限にとどめられる。
【0074】
［ヌル形成方式Ｃ－１］
第５のヌル形成方式Ｃ－１は、前述の第１のヌル形成方式Ａ－１のヌルスイーピングと第３のヌル形成方式Ｂ－１のマルチヌルフォーミングを組み合わせた方式である。ヌル形成方式Ｃ－１は、方向が異なる複数のヌルの候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり２つ以上のヌルを選択し（以降、選択したヌルの集合を「ヌルグループ」とよぶ。）、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、時間軸上、周波数軸上、又は、その両方において、ヌルグループを切り替える方式である。
第５のヌル形成方式Ｃ－１は、前述の第１のヌル形成方式Ａ－１のヌルスイーピングと第３のヌル形成方式Ｂ－１のマルチヌルフォーミングを組み合わせた方式である。ヌル形成方式Ｃ－１は、方向が異なる複数のヌルの候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり２つ以上のヌルを選択し（以降、選択したヌルの集合を「ヌルグループ」とよぶ。）、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、時間軸上、周波数軸上、又は、その両方において、ヌルグループを切り替える方式である。
【0075】
例えば、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）の例では、方向が異なる６つのヌル１～６の候補があり、３つのヌルグループＧ１～Ｇ３の候補があり、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、３つのヌルグループＧ１～Ｇ３の候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり１つのヌルグループを選択し、時間軸上においてヌルグループを切り替えている。
【0076】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）はそれぞれ、第５のヌル形成方式Ｃ－１におけるマルチヌルスイーピングの適用例を示す説明図である。前述の図１９（ｂ）の例では無線リソース単位で選択する３つのヌルグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３を時間軸上で切り替えているが、図２０（ａ）の例では、無線リソース単位で選択するヌルグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３を周波数軸上で切り替えている。また、図２０（ｂ）の例では、無線リソース単位で選択するヌルグループＧ１、Ｇ２、Ｇ３を時間軸上及び周波数軸上の両方で切り替えている。
【0077】
なお、ヌル形成方式Ｃ－１におけるヌルグループは、ヌルの候補の中から任意の２つ以上のヌルを選択してもよいし、あるヌルを重複して選択してもよい。例えば、図２１（ａ）の例では、５つのヌルグループＧ１～Ｇ５の候補があり、６つのヌル１～６の候補のうち４つのヌル２～５の候補がヌルグループに重複して選択されている。例えば、ヌル２の候補が２つのヌルグループＧ１，Ｇ２に重複して選択されている。図２１（ｂ）の例では、ＨＡＰＳ１０から地上セル３００Ｃの方向にヌルを向ける際に、５つのヌルグループＧ１～Ｇ５の候補の中から、無線リソース（時間・周波数リソース）あたり１つのヌルグループを選択し、時間軸上においてヌルグループを切り替えている。
【0078】
ヌル形成方式Ｃ－１によれば、前述のヌル形成方式Ａ－１及びヌル形成方式Ｂ－１と同様な効果が得られる。
【0079】
［ヌル形成方式Ｃ－２］
第６のヌル形成方式Ｃ－２は、前述の第２のヌル形成方式Ａ－２のヌルスイーピングと第４のヌル形成方式Ｂ－２のマルチヌルフォーミングを組み合わせた方式である。すなわち、ヌル形成方式Ｃ－２は、マルチヌルスイーピングを行うとともに、地上セル３００Ｃごとに同時に形成するヌル数やスイープするヌルのグループ数を変える方式である。マルチヌルスイーピングを行う際に、最適なヌルの候補数とその方向、並びに、スイープするヌルグループの数は、地上セル３００Ｃごとに異なる。
第６のヌル形成方式Ｃ－２は、前述の第２のヌル形成方式Ａ－２のヌルスイーピングと第４のヌル形成方式Ｂ－２のマルチヌルフォーミングを組み合わせた方式である。すなわち、ヌル形成方式Ｃ－２は、マルチヌルスイーピングを行うとともに、地上セル３００Ｃごとに同時に形成するヌル数やスイープするヌルのグループ数を変える方式である。マルチヌルスイーピングを行う際に、最適なヌルの候補数とその方向、並びに、スイープするヌルグループの数は、地上セル３００Ｃごとに異なる。
【0080】
ヌル形成方式Ｃ－２は、上記ヌル形成方式Ｃ－１においてヌルの候補数とその方向、スイープするヌルグループの数を、次のＣ－２（１）～Ｃ－２（３）の少なくとも一つに基づいて変化させる方式であってもよい。
Ｃ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ｃ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ｃ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
Ｃ－２（１）：ＨＡＰＳ１０と地上セル３００Ｃとの間の距離
Ｃ－２（２）：地上セル３００Ｃ内のユーザ分布
Ｃ－２（３）：地上セル３００Ｃの形状
【0081】
例えば、図２２の例は、ＨＡＰＳ－地上セル間の距離に応じて地上セル３００Ｃに対して同時に形成するヌルの数を変える場合の例である。図２０の例では、ＨＡＰＳ１０との距離が近い地上セル３００Ｃ（１）に対して形成するヌル１～６の候補数が６つであり、スイープするヌルグループＧ１～Ｇ３の数は３つである。一方、ＨＡＰＳ１０との距離が遠い地上セル３００Ｃ（２）に対して形成するヌル１～４の候補数が４つであり、スイープするヌルグループＧ１，Ｇ２の数は２つである。
【0082】
ヌル形成方式Ｃ－２によれば、前述のヌル形成方式Ａ－２及びヌル形成方式Ｂ－２と同様な効果が得られる。
【0083】
［全体システムの構成及び処理フロー］
図２３は、実施形態に係る地上基地局データベース８２を有する通信システムの全体構成の一例を示す説明図である。なお、図２３において、前述の図１と同様な部分については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図２３は、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０が基地局装置を有する基地局装置型の中継通信局である場合を示しているが、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０はリピータ型の中継通信局であってもよい。この場合は、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０と地上のフィーダ局（ゲートウェイ局）７０等に基地局装置が設けられ、広域セル基地局（ＨＡＰＳ基地局）は、ＨＡＰＳ１０に搭載されたリピータ型の中継通信局と、地上の基地局装置とを含む。
図２３は、実施形態に係る地上基地局データベース８２を有する通信システムの全体構成の一例を示す説明図である。なお、図２３において、前述の図１と同様な部分については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図２３は、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０が基地局装置を有する基地局装置型の中継通信局である場合を示しているが、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０はリピータ型の中継通信局であってもよい。この場合は、ＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０と地上のフィーダ局（ゲートウェイ局）７０等に基地局装置が設けられ、広域セル基地局（ＨＡＰＳ基地局）は、ＨＡＰＳ１０に搭載されたリピータ型の中継通信局と、地上の基地局装置とを含む。
【0084】
図２３において、ＨＡＰＳ１０は、フィーダ局（ゲートウェイ局）７０、移動通信網８０及びバックホール回線８１を介して、地上基地局３０に通知することができる。また、ＨＡＰＳ１０は、フィーダ局（ゲートウェイ局）７０及び移動通信網８０を介して、地上基地局データベース８２にアクセスし、地上基地局３０の情報を取得することができる。地上基地局３０は、バックホール回線８１、移動通信網８０及びフィーダ局（ゲートウェイ局）７０を介して、地上セル３００ＣにおけるＵＬとＤＬの切り替え情報をＨＡＰＳ１０に通知することができる。
【0085】
ＨＡＰＳ１０と地上基地局３０は、例えば、ＨＡＰＳ１０から地上基地局３０へ周期的に通知される情報（以下「通知情報」という。）Ｉ１と、地上基地局データベース８２に保存される情報（以下「ＤＢ情報」という。）Ｉ２を共有する。
【0086】
通知情報Ｉ１は、地上基地局３０のユーザスケジューリングアルゴリズムに依存するが、例えば、次の情報（Ｉ１－１）～（Ｉ１－３）である。
（Ｉ１－１）時刻ｔにおけるＨＡＰＳ１０の機体の位置情報及び３次元回転情報
（Ｉ１－２）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるヌルを識別するための番号
（Ｉ１－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおいて、ＨＡＰＳ１０からの干渉電力の推定に必要な情報
（Ｉ１－１）時刻ｔにおけるＨＡＰＳ１０の機体の位置情報及び３次元回転情報
（Ｉ１－２）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるヌルを識別するための番号
（Ｉ１－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおいて、ＨＡＰＳ１０からの干渉電力の推定に必要な情報
【0087】
上記ＨＡＰＳ１０からの干渉電力の推定に必要な情報（Ｉ１－３）は、例えば、次の情報（Ｉ１－３－１）～（Ｉ１－３－４）である。
（Ｉ１－３－１）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるプリコーディングウェイト行列
（Ｉ１－３－２）通知する情報量を削減するために、上記情報（Ｉ１－３－１）を統計的に処理して得られるプリコーディングウェイト行列
（Ｉ１－３－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおいて形成されるヌルの形状を、地上基地局側で２次元又は３次元的に再構成するに足る情報
（Ｉ１－３－４）通知する情報量を削減するために、上記情報（Ｉ１－３－３）を統計的に処理して得られる情報
（Ｉ１－３－１）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるプリコーディングウェイト行列
（Ｉ１－３－２）通知する情報量を削減するために、上記情報（Ｉ１－３－１）を統計的に処理して得られるプリコーディングウェイト行列
（Ｉ１－３－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおいて形成されるヌルの形状を、地上基地局側で２次元又は３次元的に再構成するに足る情報
（Ｉ１－３－４）通知する情報量を削減するために、上記情報（Ｉ１－３－３）を統計的に処理して得られる情報
【0088】
地上基地局データベース８２に保存される情報Ｉ２は、ＨＡＰＳ１０から参照される情報で有、例えば、次の情報（Ｉ２－１）～（Ｉ２－３）である。
（Ｉ２－１）地上基地局３０の座標
（Ｉ２－２）地上基地局３０のセル半径
（Ｉ２－１）地上基地局３０に接続するユーザの地理的な分布（時間に応じて変化する）
（Ｉ２－１）地上基地局３０の座標
（Ｉ２－２）地上基地局３０のセル半径
（Ｉ２－１）地上基地局３０に接続するユーザの地理的な分布（時間に応じて変化する）
【0089】
図２４は、図２３の通信システムにおけるＨＡＰＳ１０に搭載された基地局装置型の中継通信局１１０の主要構成の一例を示すブロック図である。図２４は、ＴＤＤ通信方式での運用時における構成例である。図２４において、中継通信局１１０は、ＵＬ・ＤＬ切り替え情報受信部１１０１と、地上基地局の情報取得部１１０２と、ヌルスケジューリング部１１０３と、ヌルスケジューリング情報送信部１１０４とを備える。ＵＬ・ＤＬ切り替え情報受信部１１０１は、フィーダリンクＦＬを介して各地上基地局３０からＵＬ・ＤＬ切り替え情報を受信する。地上基地局の情報取得部１１０２は、フィーダリンクＦＬを介して地上基地局データベース８２にアクセスし、自身のサービスエリア１００Ａ（ＨＡＰＳセル１００Ｃ）内に位置する地上基地局に関する情報を取得する。ヌルスケジューリング部１１０３は、各地上基地局３０から受信したＵＬ・ＤＬ切り替え情報と地上基地局データベース８２から取得した地上基地局の情報とに基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当て（スケジューリング）を、地上基地局ごとに決定する。ヌルスケジューリング情報送信部１１０４は、フィーダリンクＦＬおよび移動通信網（ネットワーク）８０を介して、ヌルのスケジューリング情報を各地上基地局３０に通知する。
【0090】
なお、図２４において、ＦＤＤ通信方式での運用時には、ＵＬ・ＤＬ切り替え情報受信部１１０１は不要である。
【0091】
図２５は、図２３の通信システムにおける地上基地局３０の主要構成の一例を示すブロック図である。図２５は、ＴＤＤ通信方式での運用時における構成例である。図２５において、地上基地局３０は、ＵＬ・ＤＬ切り替え情報送信部３００１と、ヌルスケジューリング情報受信部３００２と、干渉推定部３００３と、地上セルユーザのスケジューリング部３００４とを備える。ＵＬ・ＤＬ切り替え情報送信部３００１は、自セルの地上セルにおけるＵＬ・ＤＬ切り替え情報をＨＡＰＳ１０に通知する。ヌルスケジューリング情報受信部３００２は、ＨＡＰＳ１０から、自身の地上基地局３０に関するヌルのスケジューリング情報を受信する。干渉推定部３００３は、ヌルのスケジューリング情報に基づいて、ＨＡＰＳ１０から自セルに在圏するユーザ（ＵＥ６５）に対する干渉を推定する。地上セルユーザのスケジューリング部３００４は、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの割り当て（スケジューリング）を決定する。
【0092】
なお、図２５において、ＦＤＤ通信方式での運用時には、ＵＬ・ＤＬ切り替え情報送信部３００１は不要である。
【0093】
図２６は、実施形態に係る通信システムにおけるヌル形成を伴うビームフォーミング制御及びサービスリンク通信を行うときのＨＡＰＳ基地局及び地上セル基地局における処理フローの一例を示すフローチャートである。図２６は、ＴＤＤ通信方式での運用時における処理フローの例である。
【0094】
図２６において、各地上基地局３０は、自セルにおけるＵＬ・ＤＬの切り替え情報をＨＡＰＳ１０に通知する（Ｓ１０１）。
【0095】
次に、ＨＡＰＳ１０は、フィーダリンクＦＬを介して各地上基地局３０からＵＬ・ＤＬの切り替え情報を受信する（Ｓ１０２）。
【0096】
次に、ＨＡＰＳ１０は、フィーダリンクＦＬを介して地上基地局データベース８２にアクセスし、自身のサービスエリア１００Ａ（ＨＡＰＳセル１００Ｃ）内に位置する地上基地局３０に関する情報を取得する（Ｓ１０３）。取得する情報は、地上基地局３０の座標、セル半径、ユーザ分布などを含む。
【0097】
次に、ＨＡＰＳ１０は、各地上基地局３０から受信したＵＬ・ＤＬ切り替え情報と地上基地局データベース８２から取得した地上基地局３０の情報とに基づいて、時間軸上及び周波数軸上におけるヌルの割り当て（スケジューリング）を、地上基地局ごとに決定する（Ｓ１０４）
【0098】
次に、ＨＡＰＳ１０は、フィーダリンクＦＬ及び移動通信網（ネットワーク）８０を介して、ヌルのスケジューリング情報を各地上基地局３０に通知する（Ｓ１０５）。
【0099】
次に、地上基地局３０は、ＨＡＰＳ１０から自身の地上基地局３０に関するヌルのスケジューリング情報を受信する（Ｓ１０６）。
【0100】
次に、地上基地局３０は、ヌルのスケジューリング情報に基づいて、ＨＡＰＳ１０から自セルに在圏するユーザ（ＵＥ６５）に対する干渉を推定し、時間軸上及び周波数軸上におけるユーザの割り当て（スケジューリング）を決定する（Ｓ１０７）。
【0101】
次に、地上基地局３０は、ステップＳ１０７で決定したスケジューリング情報に基づいて、自セルに在圏するユーザ（ＵＥ６５）と通信を行う（Ｓ１０８）。
【0102】
なお、図２６において、ＦＤＤ通信方式での運用時には、上記ＵＬ・ＤＬの切り替え情報の送受信のステップ（Ｓ１０１，Ｓ１０２）は不要である。
【0103】
［リソース制御アルゴリズム］
図２７は、ヌルスイーピングを考慮したリソース制御アルゴリズムの一例を示す説明図である。本例のリソース制御アルゴリズムは、ＨＡＰＳ１０から各地上基地局３０に次の（Ｉ１－１）～（Ｉ１－３）の情報が周期的に通知されることを、前提条件とする。
（Ｉ１－１）ＨＡＰＳ１０の機体の位置情報及び３次元回転情報
（Ｉ１－２）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるヌル番号
（Ｉ１－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおけるヌルスイーピング適用時のウェイト行列Ｗｉ
図２７は、ヌルスイーピングを考慮したリソース制御アルゴリズムの一例を示す説明図である。本例のリソース制御アルゴリズムは、ＨＡＰＳ１０から各地上基地局３０に次の（Ｉ１－１）～（Ｉ１－３）の情報が周期的に通知されることを、前提条件とする。
（Ｉ１－１）ＨＡＰＳ１０の機体の位置情報及び３次元回転情報
（Ｉ１－２）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉに適用されるヌル番号
（Ｉ１－３）無線リソース（時間・周波数リソース）ｉにおけるヌルスイーピング適用時のウェイト行列Ｗｉ
【0104】
上記ヌルスイーピング適用時のウェイト行列Ｗｉは、例えば次式（１）で表され、ＨＡＰＳ１０側で算出され、ヌル方向とＨＡＰＳユーザ（ＨＡＰＳセル在圏ユーザ）との組み合わせにより一意に定まる。ここで、Ｎｔは、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ（サービスリンクアンテナ）１３０の素子数であり、Ｎｕは、空間多重数（ＨＡＰＳユーザ数）である。
【数1】
【0105】
例えば、時間リソースの数＝６、周波数リソースの数＝１及び空間多重数Ｎｕ＝１２の場合、図２７に示すように、ＨＡＰＳ１０は、ヌルスイーピング適用時のウェイト行列Ｗ１～Ｗ６を算出し、リソース番号、適用されるヌルの番号及びＨＡＰＳユーザ番号とともに、各地上基地局３０に通知する。
【0106】
地上基地局３０におけるユーザスケジューリングアルゴリズムは、次のように行うことができる。例えば、図２８に示すように、リソース番号ｉ、地上基地局ユーザ番号ｕ及びリソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉを次のように設定する。
リソース番号ｉ∈｛１，２，３，４，５，６｝
地上基地局ユーザ番号ｕ∈｛１，２，３，４，５，６｝
リソースｉに割り当てるユーザ番号ｕｉ
リソース番号ｉ∈｛１，２，３，４，５，６｝
地上基地局ユーザ番号ｕ∈｛１，２，３，４，５，６｝
リソースｉに割り当てるユーザ番号ｕｉ
【0107】
上記設定の下で、図２９のユーザスケジューリングアルゴリズムのプログラムコードに例示するように、貪欲法により、あるリソースｉに割り当てた場合の干渉電力が最小となるユーザを逐次選択することができる。
【0108】
図２９のユーザスケジューリングアルゴリズムの例では、まず、複数（Ｎ）の未割り当てユーザの端末装置のユーザ番号ｕの第１集合の設定及び貪欲法で処理する複数（Ｎ）の無線リソースについてのリソース番号ｉの順番の第２集合の設定を含む初期化処理を実行する。次に、前記第２集合のリソース番号ｉの１番目（ｋ＝１）からＮ番目（ｋ＝Ｎ）の順に、前記第２集合のｋ番目のリソース番号ｋをユーザ割り当て対象のリソース番号ｉとして設定し、リソース番号ｉの無線リソースを割り当てた場合に推定される干渉電力が最小となるユーザの端末装置のユーザ番号ｕを、前記リソース番号ｉに割り当てるユーザ番号ｕｉとして割り当て、割り当てが確定したユーザ番号ｕｉを前記第１集合から削除する処理と、を実行する。
【0109】
図３０（ａ）に示すヌルスケジューリングに基づいて図３０（ｂ）に示す地上基地局ユーザ１～６に対するスケジューリングを決定する場合、上記ユーザスケジューリングアルゴリズムの実行例では、まず、図３１（ａ）のヌル１のリソース１についてのアルゴリズムに示すように、ユーザ２の干渉電力が最小となるため、リソース１にユーザ２を割り当てる。
【0110】
リソース１へのユーザ２の割り当てが決定した後、図３１（ｂ）のヌル２のリソース３についてのアルゴリズムに示すように、ユーザ３の干渉電力が最小となるため、リソース３にユーザ３を割り当てる。
【0111】
以下、残りのすべてのユーザのリソースへの割り当てが完了するまで、上記ユーザスケジューリングアルゴリズを繰り返し実行する。これにより、図３０（ａ）に示すように、図３０（ｂ）の地上セル３００Ｃに在圏するすべての地上基地局ユーザ（地上セル在圏ユーザ）１～６のリソースへの割り当てが完了する。
【0112】
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。
【0113】
特に、本実施形態によれば、上空のＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０から地上セル基地局３０のカバーエリア内に向けて指向性ビームのヌルを形成するときの残留干渉を低減することができる。
【0114】
本発明は、上空のＨＡＰＳ１０に搭載された中継通信局１１０から地上セル基地局３０のカバーエリア内に向けて指向性ビームのヌルを形成するときの残留干渉を低減することができるシステムを提供できるため、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「産業と技術革新の基盤をつくろう」の達成に貢献できる。
【0115】
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。
【0116】
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。
【0117】
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。
【0118】
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。
【0119】
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】
【0120】
１０ ：ＨＡＰＳ
３０ ：地上基地局（地上セル基地局）
７０ ：フィーダ局（ＧＷ局）
７１ ：アンテナ
８０ ：移動通信網（ネットワーク）
８１ ：バックホール回線
８２ ：地上基地局データベース
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
１３０ ：アレーアンテナ（サービスリンクアンテナ）
１３０ａ ：アンテナ素子
３００Ｃ ：地上セル
３０ ：地上基地局（地上セル基地局）
７０ ：フィーダ局（ＧＷ局）
７１ ：アンテナ
８０ ：移動通信網（ネットワーク）
８１ ：バックホール回線
８２ ：地上基地局データベース
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
１３０ ：アレーアンテナ（サービスリンクアンテナ）
１３０ａ ：アンテナ素子
３００Ｃ ：地上セル
【要約】
【課題】広域セルを形成する上空の中継通信局から地上セル基地局のアンテナに向けて指向性ビームのヌルを形成するときの残留干渉を低減することができるシステムを提供する。
【解決手段】広域セル基地局及び一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行う。広域セル基地局は、広域セル及び地上セルの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に応じてヌル形成方式を決定し、前記ヌル形成方式に基づいて、地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する。
【選択図】図１
【解決手段】広域セル基地局及び一又は複数の地上セル基地局は、互いに時間同期された無線フレームで同一周波数帯のサービスリンクの通信を行う。広域セル基地局は、広域セル及び地上セルの無線フレームにおいて同期実行されるサービスリンク通信の上りリンク（ＵＬ）及び下りリンク（ＤＬ）の状況に応じてヌル形成方式を決定し、前記ヌル形成方式に基づいて、地上セル基地局のカバーエリア内に向けてヌルを形成するように中継通信局のサービスリンクアンテナによるビームフォーミングを制御する。
【選択図】図１
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【図29】
【図30】
【図31】
