特許 7536234 マルチビーム中継通信システム

(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】2024-08-09

(45)【発行日】2024-08-20

(54)【発明の名称】マルチビーム中継通信システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 7/185 20060101AFI20240813BHJP

【ＦＩ】

H04B7/185

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020125179

(22)【出願日】2020-07-22

(65)【公開番号】P2022021553

(43)【公開日】2022-02-03

【審査請求日】2023-06-07

【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）令和元年度、総務省、電波資源拡大のための研究開発、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】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(73)【特許権者】

【識別番号】397060072

【氏名又は名称】スカパーＪＳＡＴ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(72)【発明者】

【氏名】小野 文枝

(72)【発明者】

【氏名】三浦 龍

(72)【発明者】

【氏名】児島 史秀

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 淳

(72)【発明者】

【氏名】高盛 哲美

【審査官】鴨川 学

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／１１４７１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００１－５２２１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０７１７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ ７／１８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

飛翔体に搭載され、ｎ個のセルに対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、ｍ個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するｍ本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、
上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末と、
公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局とを備え、
上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、
上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てること
を特徴とするマルチビーム中継通信システム。

【請求項2】

上記中継用通信機は、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、上記ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定すること
を特徴とする請求項１記載のマルチビーム中継通信システム。

【請求項3】

飛翔体に搭載され、ｎ個のセルに対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、ｍ個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するｍ本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、
上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末と、
公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局とを備え、
上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、
上記中継用通信機は、複数のセルからなるｚ個のゾーンに分類するとともに、上記各ゾーンに対して、上記双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てること
を特徴とするマルチビーム中継通信システム。

【請求項4】

上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる上で、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビームの利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てること
を特徴とする請求項３記載のマルチビーム中継通信システム。

【請求項5】

上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当て、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てるとともに、更に上記ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、上記フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局の中の一部のゲートウェイ局に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行すること
を特徴とする請求項１記載のマルチビーム中継通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナを有する中継用通信機を経由させて、広域に分布する多数のユーザ端末とゲートウェイ局との間で双方向通信を同一の周波数帯を効率よく共用しながら行うマルチビーム中継通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、数千ｍから数十ｋｍの高高度に無人あるいは有人の航空機を飛行させ、これを通信中継基地として利用し、これよりも低い高度から地上にかけての広い範囲に分布するユーザ端末に対して通信サービスを提供する中継通信システムの実現が期待されている。

【0003】

このような中継通信システムを通じて、ユーザ端末と双方向通信接続を行う場合、衛星通信システムが用いられるのが一般的であった。衛星通信システムでは、周波数を再利用することで有効利用を図るために、同時に複数方向に送受信用のアンテナビームを指向させるマルチビームアンテナを用いる場合がある。衛星通信システムでは通信距離が長いため、１つの周波数帯を上り回線と下り回線で共用することが難しいことから、上り回線と下り回線において別々の周波数帯を利用する周波数分割多重方式が用いられる。また衛星とゲートウェイ局とを結ぶフィーダリンクと、衛星とユーザ端末とを結ぶユーザリンクについても別々の周波数帯が配分される。また衛星の姿勢は通常安定度が高く、衛星のマルチビームアンテナが生成するアンテナビームの指向性は高速に制御する必要がなくほぼ固定されている。また衛星のサービスは地表、海面から１０ｋｍ程度までの上空までが対象となるのに対し、衛星の高度は静止衛星で赤道上空３６０００ｋｍとなるため、衛星からみたサービスエリアの視野角は２０°以下となり、また低軌道周回衛星の場合でも視野角は９０°以下となる。このため、衛星からみた相対的な方向や位置の違いによる通信品質の差が小さく、より安定した中継通信が実現できる利点もある。

【0004】

非特許文献１には、最近のＫａ帯（３０/２０ＧＨｚ帯）を利用する衛星通信システムの動向がまとめられおり、現在では殆どの衛星通信システムが、マルチビーム通信方式を採用して周波数の有効利用を図っていることが記載されている。この非特許文献１によれば、いかなるＫａ帯衛星通信システムにおいても、上り回線（地球局から衛星）と、下り回線（衛星から地球局）で別々の異なる周波数帯が用いられている。具体的には、上り回線に３０ＧＨｚ帯、下り回線に２０ＧＨｚ帯が分配されている。

【0005】

しかしながら、この衛星通信システムによれば、赤道からの海抜高度が静止衛星は３６０００ｋｍ以上、非静止衛星の場合でも海抜高度８００ｋｍ～８０００ｋｍとなり、サービスの対象となる地表、海面あるいは海抜高度１０ｋｍ程度までの上空からの距離が非常に遠くなる。このため、同じ周波数帯で双方にて同期をとりながら時間をずらして通信する時分割多重（ＴＤＤ）方式を採用すると上り回線と下り回線の時間スロットの間に大きなガードタイムを設定する必要が生じ、効率が上げることが困難になる。このため、上り回線と下り回線で同じ周波数帯を共用することが難しいという問題点がある。

【0006】

また、この非特許文献１には、いかなる衛星システムもユーザリンク（衛星－ユーザ端末間）とフィーダリンク（衛星－事業者地球局間）は、混信を避けるため、あるいはフィーダリンクにはユーザリンクにおける全ての通信トラヒックを収容する必要があるため、広帯域な通信回線が必要となる。このため、この両リンク間には別々の周波数帯を割り当てる手段を採用せざるを得ず、ユーザリンクとは別にフィーダリンク用の周波数チャネルが別途必要になるという問題点があった。

【0007】

なお衛星通信システムは、真空中を慣性で移動するため、姿勢を乱す外乱が大気圏内と比較して極めて小さく、アンテナビーム指向方向の高速な補正制御は必要とされない。また衛星からみた地表、海面、もしくは海抜高度１０ｋｍ程度までのサービスエリアの視野角は静止衛星の場合で最大±９°程度であり、非静止衛星の場合においても４６°以内とされている。このため、このサービスエリアをマルチビームでカバーしたとしても、ビーム間での通信品質に元々大きな差は生じにくく、通信品質の一様化技術も必要とされていない。従って、この技術を±６０°以上の広角にわたるサービスエリアのユーザ端末を対象とした通信システムに適用した場合、サービスエリアの周縁に位置するユーザ端末に対する通信品質が大きく低下してしまうというと共に、大気圏内を飛行する航空機に中継用通信機を搭載した場合には、姿勢や方向の変動が大きくなり、ユーザ端末やゲートウェイ局における通信品質の変動も大きくなるという問題点があった。

【0008】

また、非特許文献２、特許文献１の開示技術は、１以上の無人航空機（ドローン）に中継用通信機を搭載し、これらとユーザ端末、地上制御局、制御対象となる目標の無人航空機等により構成される各通信区間での送受信回線間で同一の周波数帯を共用する時分割多重（ＴＤＤ）及び時分割多元接続（ＴＤＭＡ）を用いて周波数有効利用を図るものである。

【0009】

この非特許文献２、特許文献１の開示技術では、１の地上制御局に対し、１の目標の無人航空機がサービス対象となっているものの、時間スロットや周波数チャネルの数を増やすことにより、複数の目標の無人航空機に対し同時に通信接続を行えるように拡張することは可能である。しかし、中継用通信機のアンテナは無指向性のシングルビームアンテナが用いられており、マルチビームアンテナに対応した通信方式への拡張は想定されておらず、空間的な周波数利用効率を高くすることはできないという問題点があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１７－２２８９１７号公報

【非特許文献】

【0011】

【文献】総務省資料、“衛星を巡る諸問題に関する調査検討資料” https://www.soumu.go.jp/main_content/000463131.pdf、2017年1月31日

【文献】加川、小野ほか、“920MHz帯マルチホップ無線通信システムを用いたドローン制御およびセンサデータ伝送の実証実験、” 電子情報通信学会高信頼制御通信研究会、信学技報, vol. 118, no. 344, RCC2018-97, pp. 217-221, 2018年12月.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナを有する中継用通信機を経由させて、広域に分布する多数のユーザ端末とゲートウェイ局との間で双方向通信を同一の周波数帯を効率よく共用しながら行うマルチビーム中継通信システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

第１発明に係るマルチビーム中継通信システムは、飛翔体に搭載され、ｎ個のセルに対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、ｍ個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するｍ本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末と、公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局とを備え、上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てることを特徴とする。

【0014】

第２発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第１発明において、上記中継用通信機は、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、上記ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定することを特徴とする。

【0015】

第３発明に係るマルチビーム中継通信システムは、飛翔体に搭載され、ｎ個のセルに対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、ｍ個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するｍ本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末と、公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局とを備え、上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、上記中継用通信機は、複数のセルからなるｚ個のゾーンに分類するとともに、上記各ゾーンに対して、上記双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることを特徴とする。

【0016】

第４発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第３発明において、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる上で、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビームの利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることを特徴とする。

【0018】

第５発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第１発明において、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当て、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てるとともに、更に上記ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、上記フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局の中の一部のゲートウェイ局に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行することを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

上述した構成からなる本発明によれば、中継用通信機を経由して地上のネットワークに有線あるいは無線で接続され、中継用通信機との間をフィーダリンクで結ばれたゲートウェイ局と、中継用通信機からみて広角かつ地上、海上もしくは上空の広域に分布する固定型もしくは移動型のユーザ端末を結ぶユーザリンクを構成する。そして、中継用通信機は、ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ）に分割した区分周波数帯域を、ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように各アンテナビームに割り当てるとともに、各ゲートウェイ局に対して区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれるセルを指向するアンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる。これにより、通信インフラが貧弱もしくは存在ないエリアで広域にわたって分布するユーザ端末に対して高い周波数利用効率で通信サービスを提供することができる。

【0020】

このような中継通信システムは、高高度にある通信中継基地により中継通信するため、地上の通信インフラが貧弱である場合や、山間部や海洋部等がある場合にも、直径数十ｋｍにわたるエリアを包括的にカバーすることができ、災害の影響を受けにくい通信インフラを構築することができる。このため、本発明に係る中継通信システムは、いわゆる地上通信網のバックアップ網としての活用も期待できる。またこの中継通信システムは、航空機に搭載されることから、衛星と比較した場合に、ユーザ端末までの通信距離が大幅に短い。ため、衛星回線よりも小さい送信出力、アンテナ利得で、高速な通信を行うことができ、通信コストもその分低減できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】図１は、本発明を適用したマルチビーム中継通信システムの全体システム構成を示す図である。

【図2】図２は、中継用通信機のブロック構成について説明するための図である。

【図3】図３は、中継用通信機が送信するユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の区分周波数帯域に分割する例について説明するための図である。

【図4】図４は、ユーザリンクにおけるセルに重ねてフィーダリンクにおけるアンテナビームによるセルが形成され、ユーザリンクのセルとフィーダリンクのセルの区分周波数帯域が重ならないようにすることで両リンク間の干渉を軽減して通信を行う例を示す図である。

【図5】図５は、フィーダリンクにおいて、ゲートウェイ局に対してアンテナビーム径を絞り込んで割り当て、同じ区分周波数帯域を使用する近くのユーザリンクのセルとの間の干渉を軽減する例を示す図である。

【図6】図６は、同一のセルに対してフィーダリンクの区分周波数帯域を複数種割り当てる例を示す図である。

【図7】図７は、複数のセルからなる各ゾーンに対して、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおけるアンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てる例を示す図である。

【図8】図８は、図７の例において、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定する場合について説明するための図である。

【図9】図９は、各高度範囲のセルに対してそれぞれ指向する送受信用のアンテナビームを生成する例を示す図である。

【図10】図１０は、ユーザリンク及びフィーダリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の各区分周波数帯域に分割した場合のフレーム構成例を示す図である。

【図11】図１１は、図１０に示すフレーム構成に基づいて、フォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信を行う例を示す図である。

【図12】図１２は、ユーザリンクやフィーダリンクにおける送受信すべき１つのパケットを複数の時間スロットあるいは周波数チャネルに分かれた分割パケットで送信する例を示す図である。

【図13】図１３は、ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行する例を示す図である。

【図14】図１４は、ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行する例を示す他の図である。

【図15】図１５は、各高高度航空機あるいは無人機のサービスエリアの一部をオーバラップさせる例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明を適用したマルチビーム中継通信システムについて図面を参照しながら詳細に説明をする。

【0023】

図１は、本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１の全体システム構成を示している。このマルチビーム中継通信システム１は、飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナ２１を有する中継用通信機２と、中継用通信機２と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末３と、中継用通信機２と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局４と、ゲートウェイ局４に接続された公衆通信網５と、公衆通信網５に接続された中央通信端末６とを備えている。

【0024】

中継用通信機２は、高高度を飛行する有人又は無人の航空機やヘリコプター、飛行船、バルーン等の飛翔体に搭載される。中継用通信機２は、ｎの異なる方向を指向するｎ本の送信アンテナビームとｎ本の受信アンテナビームとをそれぞれユーザリンク用に生成する。また中継用通信機２は、ｍの異なる方向に位置するｍ個のゲートウェイ局４の方向をそれぞれ指向するｍ本の送信アンテナビームとｍ本の受信アンテナビームとをそれぞれフィーダリンク用に生成する。以下、これらユーザリンク用、フィーダリンク用の送信アンテナビームと、受信アンテナビームを、送受信用のアンテナビームと総称する。

【0025】

中継用通信機２は、図２に示すようにマルチビームアンテナ２１に加え、ユーザリンク送受信部２２と、このユーザリンク送受信部２２に接続された中継部２３と、中継部２３に接続されたフィーダリンク送受信部２４と、ユーザリンク送受信部２２に接続された位相振幅制御部２５－１～２５－ｎと、フィーダリンク送受信部２４に接続された位相振幅制御部２６－１～２６－ｍとを備えている。

【0026】

マルチビームアンテナ２１は、送信と受信で共用するｅ個の小型アンテナ素子２１１の配列で構成される。個々の小型アンテナ素子２１１を通じて、それぞれ上述したユーザリンク用、フィーダリンク用の送受信用アンテナビームを送受信する。この小型アンテナ素子２１１を介して生成される送受信用アンテナビームがユーザリンクにおいて地球上にある各セルに対してそれぞれ指向するように構成される。同様に、この小型アンテナ素子２１１を介して生成される送受信アンテナビームが地球上にある各ゲートウェイ局４に対してそれぞれ指向するように構成される。

【0027】

小型アンテナ素子２１１は、このようなアンテナビームの指向方向は、これらに接続される各位相振幅制御部２５－１～２５－ｎ、２６－１～２６－ｍにより設定される。位相振幅制御部２５－１～２５－ｎ、２６－１～２６－ｍは、小型アンテナ素子２１１への給電信号及び小型アンテナ素子２１１の受信信号の位相と振幅をそれぞれ設定することにより、このようなアンテナビームの指向方向を制御することができる。

【0028】

このような位相振幅制御部２５－１～２５－ｎ、２６－１～２６－ｍによる制御の下で、アンテナビームの指向方向を、複数の異なる方向に対して、同時にもしくは時分割で設定することが可能となる。また、この中継用通信機２を搭載する飛しょう体等の機体の姿勢や向きが変化してもこれを補償し、一定の方向へのアンテナビームの指向を維持するような制御も実現できる。

【0029】

ユーザリンク送受信部２２は、ｋ個のユーザ端末３間での双方向通信を制御する。ユーザリンク送受信部２２は、実際にユーザ端末３からマルチビームアンテナ２１を介して受信した信号を中継部２３へと出力する。また中継部２３から送られてきたゲートウェイ局４からの信号をマルチビームアンテナ２１を介して送信するための制御を行う。

【0030】

フィーダリンク送受信部２４は、ｍ個のゲートウェイ局４間での双方向通信を制御する。フィーダリンク送受信部２４は、実際にゲートウェイ局４からマルチビームアンテナ２１を介して受信した信号を中継部２３へと出力する。また中継部２３から送られてきたユーザ端末３からの信号をマルチビームアンテナ２１を介して送信するための制御を行う。

【0031】

中継部２３は、このユーザリンク送受信部２２、フィーダリンク送受信部２４間の信号の送受信を中継する。

【0032】

ユーザ端末３は、個々のユーザが無線通信を行うための移動型、又は固定型の端末である。ユーザ端末３の例としては、固定電話、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）に加え、自動車、航空機、船舶、列車、ロボット、各種機器に搭載された通信端末も含まれる。このユーザ端末が移動型の端末である場合、エリア全体において分割された小型のサービスエリアであるセル７単位で通信が行われる。このユーザリンクにおいては、ｎ個のセル７に対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームが中継用通信機２を通じて形成される。ユーザ端末３は、自身の属するセル７に向けて指向するアンテナビームを介して中継用通信機２と通信することになる。

【0033】

ゲートウェイ局４は、地上に固定される基地局としての役割を担うが、これに限定されるものではなく、移動範囲が所定の範囲に限定される準固定の局として構成されるものであってもよい。このゲートウェイ局４は、フィーダリンクを通じて中継用通信機２との間でアンテナビームを介して通信を行う。ゲートウェイ局４は、インターネット回線等を始めとする公衆通信網５と接続されており、インターネット上から取得した情報を中継用通信機２を中継させて各ユーザ端末３へと送信することが可能となる。またゲートウェイ局４は、公衆通信網５を介して接続された中央通信端末６からの指示や制御に基づいて、マルチビーム中継通信システム１全体やそれが搭載された中継用航空機の飛行などを制御するための各種動作を実行することも可能となる。

【0034】

上述のような構成からなるマルチビーム中継通信システム１によれば、ｋ個のユーザ端末３とｍ個のゲートウェイ局４との間で、一の中継用通信機２を経由した往復通信路を構成することができる。そして、この往復通信路において同一周波数帯域で時分割多重もしくは周波数分割多重、あるいは時分割多重と周波数分割多重の組合せにより共用することもできる。そして、マルチビームアンテナ２１が提供するビーム分割多重とも組合せ、所定の周波数帯域の中で同じ周波数チャネルを再利用することにより高い周波数利用効率で双方向通信を行うこともできる。以下、その具体的な方法について説明する。

【0035】

図３に示すように、中継用通信機２が送信するユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の区分周波数帯域に分割する。ここでいう区分周波数帯域の数ｑは、上述したアンテナビームの本数ｎとの関係において、ｎ≧ｑの関係が成り立つことが前提となる。

【0036】

マルチビームアンテナ２１が生成する各々の送信用、受信用のアンテナビームにｆ（１）～ｆ（ｑ）のいずれかを互いのアンテナビーム間の相互干渉が最小になるように割り当てる。各アンテナビームは、図３に示すようにユーザリンクにおける各セル７に対してそれぞれ指向するように形成され、セル７毎に割り当てられたアンテナビーム間において互いに独立して通信を行う。中でも隣接するセル７に対して指向するアンテナビーム間の部分周波数帯域が重複する場合、相互の通信干渉が生じる可能性が出てくる。このため、隣接するセル７に対して指向するアンテナビーム間においては、少なくとも区分周波数帯域を互いに異らせるように割り当てる。割り当ての例は、図３に示すように、ｑが３である場合には、隣接するセル７に対して指向するアンテナビーム間において部分周波数帯域ｆ（１）、ｆ（２）、ｆ（３）が互いに異なるように配置する。図３の例では、部分周波数帯域ｆ（１）が割り当てられる一のセル７に着目した場合、その周囲に配置される６つのセル７において、他の部分周波数帯域ｆ（２）、ｆ（３）を交互に配置することで実現することができる。上述した例ではあくまでｑが３である場合を挙げて説明をしたが、これに限定されるものではなく、ｑが７である場合、即ち部分周波数帯域がｆ（１）～ｆ（７）で構成される場合には、部分周波数帯域ｆ（１）が割り当てられる一のセル７に着目した場合、その周囲に配置される６つのセル７において、他の部分周波数帯域ｆ（２）～ｆ（７）を配置することで実現することができる。ｑが３以上であれば、上述した配置例に基づいてアンテナビーム間の相互干渉が少なくなるような、様々な配置のバリエーションを採用することも可能となる。

【0037】

このようにして、ｆ（１）～ｆ（ｑ）の各区分周波数帯域を異なる送信アンテナビーム間及び異なる受信アンテナビーム間で再利用し、送信と受信の両アンテナビームにおいてそれぞれ区分周波数帯域の再利用回数分に比例して、ユーザリンクにおけるユーザ端末３の収容台数を増加させることが可能となる。

【0038】

なお、本発明においては、このようなユーザリンクにおける区分周波数帯域の割り当て方法に加えて、フィーダリンクにおいても同様に区分周波数帯域を割り当てるようにしてもよい。かかる場合には、中継用通信機２が送信するフィーダリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の区分周波数帯域に分割する。ここでいう区分周波数帯域の数ｑは、上述した個々のゲートウェイ局４に割り当てられたアンテナビームの本数ｍとの関係において、ｍ≦ｑの関係が成り立つように設定することが設備コスト上効率的であるが、ｍ＞ｑであってもよい。

【0039】

マルチビームアンテナ２１が生成する各々の送信用、受信用のアンテナビームにｆ（１）～ｆ（ｑ）のいずれかを互いのアンテナビーム間の相互干渉が最小になるように割り当てる。各アンテナビームは、図４に示すようにフィーダリンクにおける各セル７に対してそれぞれ指向するように形成され、セル７毎に割り当てられたアンテナビーム間において互いに独立して通信を行う。中でも隣接するセル７に対して指向するアンテナビーム間の部分周波数帯域が重複する場合、相互の通信干渉が生じる可能性が出てくる。このため、隣接するセル７に対して指向するアンテナビーム間においては、少なくとも区分周波数帯域を互いに異らせるように割り当てる。この割当方法の具体的な例は、上述したユーザリンクの例を適用するようにしてもよい。

【0040】

このとき、フィーダリンク用に生成する各々のアンテナビームに割り当てられる部分周波数帯域ｆ（１）～ｆ（ｑ）は、ユーザリンク用のアンテナビームに割り当てられる部分周波数帯域ｆ（１）～ｆ（ｑ）との相互干渉がより小さくなるように割り当てることが望ましい。例えば、図４に示すように、同一のセル７に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がｆ（２）であるセル７に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域ｆ（１）が割り当てられる。同様に、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がｆ（３）であるセル７に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域ｆ（２）が割り当てられる。同様にユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がｆ（１）であるセル７に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域ｆ（３）が割り当てられる。これにより、各セル７において、ユーザリンク、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複することなく、互いの通信干渉を防止することができる。なお隣接するセル間においてユーザリンクの部分周波数帯域と、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複するケースも出てくる場合があるが、図５に示すように、一般的にフィーダリンクでは、ゲートウェイ局４に対してアンテナビーム径を絞り込んで割り当てる。即ち、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定することにより、隣接するセル間においてユーザリンクの部分周波数帯域と、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複するケースにおいても、通常はこれらの間で通信干渉を防止できる。

【0041】

図６は、同一のセル７に対してフィーダリンクの部分周波数帯域を複数種割り当てる例を示している。かかる場合においても、同一のセル７に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がｆ（２）であるセル７に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域ｆ（１）、ｆ（３）が割り当てられることで同一セル７内におけるユーザリンク、フィーダリンク間の通信干渉を防止することが可能となる。同様に、他のセル７に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がｆ（３）であるセル７に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域ｆ（１）、ｆ（２）が割り当てられることで同一セル７内におけるユーザリンク、フィーダリンク間の通信干渉を防止することが可能となる。

【0042】

また、本発明においては、複数のセルからなるｚ個のゾーンに分類するとともに、各ゾーンに対して、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおけるアンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てるようにしてもよい。例えば図７に示すように、ビームアンテナは、セル７への指向方向若しくはセルまでの通信距離に応じて、ｚ個のゾーン（セルのグループ）に分類する。図７の例では、中継用通信機２に対して最も近距離であるゾーン１と、中距離であるゾーン２と、長距離であるゾーン３に各セル７をグルーピングしている。このグルーピングを行う際においては、ゾーン１に用いる小型アンテナ素子２１１、ゾーン２に用いる小型アンテナ素子２１１、ゾーン３に用いる小型アンテナ素子２１１を予め割り当てる。ゾーンに応じて、これらに対して指向するアンテナビームを生成するための小型アンテナ素子２１１の数を適切に配分する。このとき、図７に示すように中継用通信機２に対する距離が長くなり、通信品質ひいては利得が低下する可能性の高いゾーンほど、これらに割り当てる小型アンテナ素子２１１の数を増やすようにしてもよい。

【0043】

このように、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることにより、各ゾーン間において通信利得、通信品質の差が生じるのを低減することができる。

【0044】

なお、フィーダリンク用のアンテナビームの生成に用いる小型アンテナ素子２１１の配分をそれぞれ適切に変えて各ビーム幅を設定することにより、フィーダリンクにおけるアンテナビームと、ユーザリンクにおけるアンテナビームとの間で同一の周波数帯域を少ない相互干渉で共用することもできる。

【0045】

このとき、上述した図４、５に示すように、ユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）（ｎ≧ｑ、ｍ≦ｑ）に分割した区分周波数帯域を、ユーザリンクにおける隣接するセル間において互いに異らせるように各アンテナビームに割り当てる。これと共に、図８に示すように、各ゲートウェイ局に対して区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれるセル７を指向するアンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる場合、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定する。これにより、通信干渉を互いに低減させることが可能となる。

【0046】

図９の例では、高度範囲（レイヤ）Ａにおけるｎ個のセルに対してそれぞれ指向するｎ本の送受信用のアンテナビームを第１のユーザリンク用に生成し、高度範囲（レイヤ）Ｂにおけるｎ２個の空間領域に対してそれぞれ指向するｎ２本の送受信用のアンテナビームを第２のユーザリンク用に生成する例を示している。ちなみに、高度範囲（レイヤ）Ａは、高度範囲（レイヤ）Ｂよりも低い高度とされている。これらに加えて、更にｍ個のゲートウェイ局４に対してそれぞれ指向するｍ本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成する点は、上述と同様である。

【0047】

第１のユーザリンクを通じて中継用通信機２と双方向通信を行うｋ個のユーザ端末３が本システムにおいて先ず含まれる。そして、第２のユーザリンクを通じて双方向通信を行う中継用通信機２が搭載された飛翔体よりも低高度を飛行する他の飛翔体に搭載された複数個の第２ユーザ端末９が本システムに含まれる。この第２ユーザ端末９が搭載される飛翔体は、無人又は有人の航空機やヘリコプター等で構成される。更に、フィーダリンクを通じて中継用通信機２と双方向通信を行うｍ個のゲートウェイ局４も本システムに含まれる。

【0048】

ユーザ端末３とゲートウェイ局４は、中継用通信機２を介した第１のユーザリンク及びフィーダリンクを通じて往復通信路を構成する。また第２ユーザ端末９とゲートウェイ局４は、中継用通信機２を介した２のユーザリンク及びフィーダリンクを通じて往復通信路を構成する。

【0049】

このとき、第１のユーザリンクと、上記第２のユーザリンクとの間で互いに通信周波数が異なるように異なる高度範囲ごとの各アンテナビームに割り当てるようにしてもよい。また、第１のユーザリンクと、上記第２のユーザリンクとの間で互いに時間スロットが異なるように異なる高度範囲ごとの各アンテナビームに割り当てるようにしてもよい。これにより、第１のユーザリンクと、上記第２のユーザリンクとの間での通信干渉を防止することができる。

【0050】

また、本発明においては、中継用通信機２が送受信するユーザリンク及びフィーダリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の各区分周波数帯域に分割した場合、以下の方法にフレーム構成に基づいて通信を行うようにしてもよい。

【0051】

図１０は、そのフレーム構成の例を示している。ユーザリンク及びフィーダリンクにおいては一定の時間長を有すると共に、互いに同期させたフレーム単位で双方向通信を行うことを前提とする。ユーザリンク及びフィーダリンクの各フレームは、それぞれ時間的に前と後に分割された２つのサブフレームからなり、各サブフレームの末尾には所定の無信号区間であるガードタイムがそれぞれ付加される。ユーザリンクに割り当てられる区分周波数帯域をｃｕとし、フィーダリンクに割り当てられる区分周波数帯域をｃｆとする。

【0052】

ここで、ユーザ端末３から中継用通信機２を経由してゲートウェイ局４に至る通信経路をリターンリンクという。また、ゲートウェイ局４から中継用通信機２を経由してユーザ端末３に至る通信経路をフォワードリンクという。各周波数チャネルにおいて前サブフレームと、後サブフレームは、それぞれｓｕ１、ｓｕ２、・・・の時間スロットに、又はｓｆ１、ｓｆ２、・・・の時間スロットに分割されているものとする。

【0053】

このとき、リターンリンクにおいては、例えば図１０に示すように、ユーザリンクを通じてユーザ端末３から送られてきた信号は、時間スロットｓｕ１の前サブフレームに挿入されているものとする。中継用通信機２は、この時間スロットｓｕ１の前サブフレームに挿入された信号を、これよりも後のフレームの時間スロットｓｆ４の後サブフレームに挿入することで、フィーダリンクを通じてゲートウェイ局４へと送信する。

【0054】

またフォワードリンクにおいては、図１０に示すように、フィーダリンクを通じてゲートウェイ局４から送られてきた信号は、時間スロットｓｆ１の前サブフレームに挿入されているものとする。中継用通信機２は、この時間スロットｓｆ１の前サブフレームに挿入された信号を、これよりも後のフレームの時間スロットｓｕ４の後サブフレームに挿入することで、ユーザリンクを通じてユーザ端末３へと送信する。

【0055】

ユーザリンク、フィーダリンクにおける他のサブフレームにおける信号も同様に、後に続くフレームに含まれて送られることになる。ユーザリンクを構成する区分周波数帯域ｃｕにおいて、更に複数以上に区分周波数帯域を分割してそれぞれアンテナビームに重畳させて送受信するようにしてもよい。フィーダリンクを構成する区分周波数帯域ｃｆにおいて、更に複数以上に区分周波数帯域を分割してそれぞれアンテナビームに重畳させて送受信するようにしてもよい。

【0056】

このとき、フォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信において、ユーザリンク、フィーダリンク共に周波数帯域ｃｕ、ｃｆをそれぞれ共用することにより、通信システム内において多数のユーザ端末を収容するが可能となる。

【0057】

このようなデータフレームを利用してフォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信を行う場合には、図１１に示すように、中継用通信機２がユーザリンクにおいて送信するタイミングと同じタイミングでフィーダリンクにおいて送信し、また中継用通信機２がユーザリンクにおいて受信するタイミングと同じタイミングでフィーダリンクにおいて受信するようにサブフレームを配置するようにしてもよい。つまり、図１０では、時間スロットｓｕ１においてユーザリンクにおけるリターンリンクのデータフレームが形成され、同じタイミングにおけるｓｆ１においてフィーダリンクにおけるフォワードリンクのデータフレームが形成されている。これは図１１（ａ）に示すように、ユーザ端末３から中継用通信機２への送信と、ゲートウェイ局４から中継用通信機２への送信のタイミングが同じであることを意味している。同様に図１０では、時間スロットｓｕ２においてユーザリンクにおけるフォワードリンクのデータフレームが形成され、同じタイミングにおけるｓｆ２においてフィーダリンクにおけるリターンリンクのデータフレームが形成されている。これは図１１（ｂ）に示すように、中継用通信機２からユーザ端末３への送信と、中継用通信機２からゲートウェイ局４への送信のタイミングが同じであることを意味している。中継用通信機２はユーザリンクにおける送信タイミングとフィーダリンクにおける受信タイミングが重複することがなく、またユーザリンクにおける受信タイミングとフィーダリンクにおける送信タイミングが重複することがなくなるため、送信から受信への回り込みによる干渉を避けることが可能となる。

【0058】

なお本発明においては、図１２に示すように、リターンリンクで送る情報のまとまりである１パケットをその情報量に応じ、ユーザリンクやフィーダリンクにおける１サブフレーム内の一の周波数チャネルの一の時間スロットからなる単一ブロックに配分するようにしてもよい。つまり、ユーザリンクやフィーダリンクにおける単一ブロックを集めてきて分割パケットを構成し、複数の分割パケットを組み合わせることで１パケットを構成するようにしてもよい。また１パケットを、２以上のサブフレーム、２以上の周波数チャネル、２以上の時間スロットの複数ブロックに分割して配分するようにしてもよい。つまり、ユーザリンクやフィーダリンクにおける２以上のブロックを集めてきて分割パケットを構成し、複数の分割パケットを組み合わせることで１パケットを構成するようにしてもよい。実際に通信するのはこの１パケットになるが、通信する必要のある１パケットの情報量に柔軟に適応した通信回線を確立することができる。

【0059】

また本発明は、図３に示すような中継用通信機２が送信するユーザリンクの全周波数帯域をｆ（１）～ｆ（ｑ）の区分周波数帯域に分割する際に、更に時間分割を組み合わせるようにしてもよい。図１３に示すように、中継用通信機２は、全時間をｄの時間区分に分割し、ユーザリンクでは１番目の時間区分Ｔ１において中継用通信機２の全覆域の中における一部の覆域に対応するｎ（Ｔ１）のアンテナビームを同時に生成する。この図１３の例では、ｎ（Ｔ１）のアンテナビームとして７つのセルに向けたアンテナビームを同時に生成している。次に２番目の時間区分Ｔ２において別の一部の覆域に対応するｎ（Ｔ２）のアンテナビームを同時に生成する。この図１３の例では、ｎ（Ｔ２）のアンテナビームとして６つのセルに向けたアンテナビームを同時に生成している。かかる動作を全覆域に対応する全ビーム数ｎ（ここで、ｎ（Ｔ１）＋ｎ（Ｔ２）＋・・・・＋ｎ（Ｔｄ）＝ｎ、ここでＴｄは最後となるｄ番目の時間区分）にわたるまで繰返し実行する。

【0060】

また中継用通信機２は、フィーダリンクにおいても同様に、時間区分Ｔ１において全ゲートウェイ局４の中の一部の局に対応するｍ（Ｔ１）のアンテナビームを同時に生成する。次に時間区分Ｔ２においてゲートウェイ局４の中の別の一部の局に対応するｍ（Ｔ２）のアンテナビームを同時に生成し、これを全てのゲートウェイ局４に対応する全ビーム数ｍ（ここでｍ（Ｔ１）＋ｍ（Ｔ２）＋・・・・＋ｍ（Ｔｄ）＝ｍ）に亘るまで繰返し実行する。

【0061】

つまりユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局４の中の一部のゲートウェイ局４に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行する。

【0062】

ユーザリンク及びフィーダリンクの各時間区分は、上述した図１０に示すフレーム周期及びサブフレーム周期に同期する。そして、この時間区分ごとに全てのマルチビームの一部のビームのみを同時に生成し、これを順番に切替える。

【0063】

これにより、中継用通信機２を、ユーザリンクの全覆域及びフィーダリンクの全ゲートウェイ局に対応させると共に、同時生成するアンテナビーム数を削減することができる。その結果、中継用通信機２の送信電力を低減させることができ、かつユーザリンクのビーム間干渉及びユーザリンクとフィーダリンク間のビーム間干渉を低減させることも可能となる。

【0064】

このとき、ユーザリンクにおいて、複数のセルからなる一部の覆域に含まれるゲートウェイ局４について、当該覆域に割り当てられたデータフレームの時間区分とは異なる時間区分に割り当てるようにしてもよい。例えば、時間区分Ｔ２においてゲートウェイ局４の中の別の一部の局に対応するｍ（Ｔ２）のアンテナビームを生成するが、当該時間区分Ｔ２においては、このｍ（Ｔ２）における覆域に含まれるゲートウェイ局４は、別の時間区分において割り当てられる。

【0065】

図１４は、図１３に示す実施形態の他の例を示している。この図１４に示す例では、時間区分Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・の切り替えタイミングを、各フレームの期間に合わせている。上述した図１３の例では、時間区分Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・の切り替えタイミングを、前サブフレーム又は後サブフレーム内において行っているのに対し、この図１４は、前サブフレームと後サブフレームからなるフレーム単位行う。かかる場合も同様の方法を実行することにより、ユーザリンクの全覆域及びフィーダリンクの全ゲートウェイ局に対応させると共に、同時生成するアンテナビーム数を削減することができる。

【0066】

上述した構成からなる本発明によれば、中継用通信機２を経由して地上のネットワークに有線あるいは無線で接続され中継用通信機２との間をフィーダリンクで結ばれたゲートウェイ局４と、中継用通信機からみて広角かつ地上、海上もしくは上空の広域に分布する固定型もしくは移動型のユーザ端末３を結ぶユーザリンクを構成する。これにより、通信インフラが貧弱もしくは存在ないエリアで広域にわたって分布するユーザ端末３に対して高い周波数利用効率で通信サービスを提供することができる。

【0067】

具体的には、ユーザリンクとフィーダリンクの間及びフォワードリンクとリターンリンクの間で少ない相互干渉で同一の周波数帯域を共用することができるため、従来よりも少ない周波数帯域で同等の通信容量を確保することが可能となる。

【0068】

また、ユーザリンクとフィーダリンクの双方において、中継用通信機２からみた距離や角度に応じてマルチビームアンテナの利得配分を行うことができるため、ユーザ端末３間あるいは複数のゲートウェイ局４間での通信品質の差を小さくすることで均質化を図ることが可能となる。

【0069】

また、本発明によれば高度１０ｋｍ～２０ｋｍに及ぶ高高度に滞空飛行させる航空機に中継用通信機２を搭載することにより、直径数１０ｋｍ以上の地上、海上、あるいは上空（中継用通信機２の高度よりは低い高度）の多数のユーザ端末３との間での多数接続通信サービスの実現が可能となる。このサービスが扱う通信データの例としては、センサデータ、音声データ、映像データ等に加え、ロボットやドローンの制御用のコマンドデータやテレメトリデータ等があり、通信インフラが貧弱あるいは存在しないエリアを含む広域にわたるIoTサービスが実現できる。

【0070】

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１では、衛星をロケット等で打ち上げるよりも低いシステム構築コストや通信端末のコストが期待でき、また地上の災害に強い通信インフラが提供できるという利点もある。またマルチビーム中継通信システム１では、電波減衰や通信遅延も衛星システムに比べて小さくできるという利点もある。

【0071】

特に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１では、アンテナビーム間で同じ周波数帯を使用してもビーム方向にある程度差をつけることにより相互の干渉を低減することが可能となるため、同じ周波数帯を複数の互いに離れたビームで使っても問題なく、限られた周波数の範囲で、より多くのユーザ端末を収容することが可能となる。

【0072】

また、本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１は、そのアンテナビーム指向性が電子的に制御されるため、中継用通信機２の水平面や垂直面の向きが時間的に変動しても、その変動は自動的に補償され、ユーザ端末に提供される通信品質に与える影響を最小限に抑えることができる。換言すれば、本発明は、地上、海上、上空向けのビームフットプリントを高高度を飛行する飛翔体の姿勢変動や方位変動に関わらず一定に保つことができる。

【0073】

更に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１は、指向方向による利得配分方法により、高高度を飛行する飛翔体直下のエリアと、その飛翔体から遠く離れたサービスエリア周縁部のエリアとの間で、通信品質の差を小さく抑えることが可能となる。

【0074】

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１は、複数の小型アンテナ素子２１１からなるマルチビームアンテナ２１を有し、各小型アンテナ素子２１１に給電がなされ、又はそれぞれの小型アンテナ素子２１１で受信される電波の位相を適宜設定することによりアンテナビームの指向方向を設定できる。これらの動作を複数のアンテナビームの指向方向間で同時に行うことにより、複数の異なる方向に同時にアンテナビームを指向させて発信させることができる。またアンテナビームごとに使用する小型アンテナ素子２１１の数を変化させることにより、アンテナビームの利得を自由に設定できる。このマルチビームアンテナ２１の代替として、複数の異なる方向に向けた図示しない指向性アンテナを備え、各指向性アンテナ毎にアンテナビームを生成する方法で実現するようにしてもよい。

【0075】

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１が適用可能な分野としては、携帯電話網や専用通信網のバックアップ回線の他、様々なセンサ、ロボット、無人航空機、あるいは自動車（自動運転含む）、列車、航空機、空飛ぶ車両、船舶、人が持つ端末等に対する広域ＩｏＴ接続や運行管理・運行制御の分野等が想定される。様々な高度範囲を飛行する無人航空機や有人の航空機に対しては、高度範囲ごとに多層化されたマルチビームでカバーすることができる。

【0076】

更に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム１によれば、図１５に示すように、上空に複数の高高度航空機あるいは無人航空機を飛行させることにより、サービスエリアを拡大することができる。これと共に、各高高度航空機あるいは無人機のサービスエリアの一部をオーバラップさせることにより、当該オーバラップするエリアに位置する各ユーザ端末３は、地上の建物や地形の影響で電波が遮蔽あるいは減衰される場合において、複数の高高度航空機あるいは無人機の中から伝搬条件のよいものを選択して通信接続することができる。このため、本発明によれば、遮蔽あるいは減衰の影響を回避するための施策としても有用性が高い。

【符号の説明】

【0077】

１ マルチビーム中継通信システム
２ 中継用通信機
３ ユーザ端末
４ ゲートウェイ局
５ 公衆通信網
６ 中央通信端末
７ セル
９ 第２ユーザ端末
２１ マルチビームアンテナ
２２ ユーザリンク送受信部
２３ 中継部
２４ フィーダリンク送受信部
２５ 位相振幅制御部
２６ 位相振幅制御部
２１１ 小型アンテナ素子

【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】