特許 7564467 信号処理装置、無線通信システムおよび信号処理方法

(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】2024-10-01

(45)【発行日】2024-10-09

(54)【発明の名称】信号処理装置、無線通信システムおよび信号処理方法

(51)【国際特許分類】

   H04B 7/185 20060101AFI20241002BHJP

   H04B 7/0413 20170101ALI20241002BHJP

【ＦＩ】

H04B7/185

H04B7/0413

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022570938

(86)(22)【出願日】2020-12-25

(86)【国際出願番号】 JP2020048662

(87)【国際公開番号】W WO2022137493

(87)【国際公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-04-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小島 康義

(72)【発明者】

【氏名】糸川 喜代彦

(72)【発明者】

【氏名】五藤 大介

(72)【発明者】

【氏名】坂元 一光

【審査官】鴨川 学

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２７７２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３５９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０４４００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５３６４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０１２８９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－１３６５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０２２６１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ ７／１８５

Ｈ０４Ｂ ７／０４１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得する取得部と、
前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するパラメータ決定部と、
前記合成パラメータに基づいて前記複数の信号を合成する合成部と
を備え、
前記取得部は、前記複数のアンテナそれぞれが受信した前記複数の信号をサンプリングして波形データを生成して前記波形データを記憶装置に記録し、
前記合成部は、前記合成パラメータに基づいて、前記記憶装置に記録された前記波形データが表す複数の波形を合成する
信号処理装置。

【請求項2】

天体上に設けられ、
前記天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得する取得部と、
前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するパラメータ決定部と、
前記合成パラメータに基づいて前記複数の信号を合成する合成部と
を備え、
前記取得部は、無線通信により前記無線通信装置から前記複数の信号をそれぞれ受信する
信号処理装置。

【請求項3】

前記送信端末が送信する信号には、前記送信端末の位置を示すデータが含まれ、
前記合成部が合成した信号を復号して前記送信端末の位置を読み出す復号部を備え、
前記パラメータ決定部は、前記読み出した前記送信端末の位置に基づいて前記合成パラメータを決定する
請求項１または請求項２に記載の信号処理装置。

【請求項4】

前記パラメータ決定部は、前記天体上の複数のエリアのうち前記送信端末が存在するエリアに前記複数のアンテナの受信ビームが向くように、前記合成パラメータを決定する
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の信号処理装置。

【請求項5】

前記エリアは、前記軌道に対して平行な直線によって区切られる
請求項４に記載の信号処理装置。

【請求項6】

前記無線通信装置に搭載され、
前記パラメータ決定部は、複数のエリアそれぞれにおける前記送信端末の数に応じて、前記複数のエリアそれぞれについて前記複数のアンテナの指向性を向ける時間を決定する 請求項４又は請求項５に記載の信号処理装置。

【請求項7】

請求項１から請求項６の何れか１項に記載の信号処理装置と、
天体の上空を所定の軌道で移動し、複数のアンテナを備える無線通信装置と、
前記天体上に設けられた送信端末とを備え、
前記送信端末は、
前記天体で観測された観測データを記憶する記憶部と、
前記送信端末の位置を示す位置データを取得する位置取得部と、
前記無線通信装置の軌道に基づいて前記観測データを送信するタイミングを決定するタイミング決定部と、
決定した前記タイミングにおいて前記観測データと前記位置データとを格納した信号を送信する送信部と
を備える無線通信システム。

【請求項8】

天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得するステップと、
前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するステップと、
前記合成パラメータに基づいて前記複数の信号を合成するステップと
を有し、
前記取得するステップでは、前記複数のアンテナそれぞれが受信した前記複数の信号をサンプリングして波形データを生成して前記波形データを記憶装置に記録し、
前記合成するステップは、前記合成パラメータに基づいて、前記記憶装置に記録された前記波形データが表す複数の波形を合成する、
信号処理方法。

【請求項9】

天体上に設けられる信号処理装置が、前記天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得するステップと、
前記信号処理装置が、前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するステップと、
前記信号処理装置が前記合成パラメータに基づいて前記複数の信号を合成するステップと
を有し、
前記複数の信号を取得するステップでは、前記信号処理装置が、無線通信により前記無線通信装置から前記複数の信号をそれぞれ受信する
信号処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、信号処理装置、無線通信システムおよび信号処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩｏＴ（Internet of Things）技術の発展により、各種センサを備えたＩｏＴ端末を様々な場所に設置することが検討されている。例えば、海上のブイや船舶、山岳地帯など、基地局の設置が困難な場所のデータを収集するためにＩｏＴを活用することも想定されている。一方で、ＵＡＶ（無人航空機、Unmanned Aerial Vehicle）や静止衛星を用いて、地上の通信装置と無線通信する技術がある（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】Wei Feng, et al. "UAV-aided MIMO communications for 5G Internet of Things", IEEE Internet of Things Journal，Volume6, Issue2，2019年，p.1731-1740

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

無線通信装置が上空からデータを収集する場合、無線通信装置の高度が高いほど、地上の送信端末との間の伝搬損失が大きくなり、通信品質が劣化する。
上記事情に鑑み、本発明は、天体の上空を移動する無線通信装置がデータを収集する際の伝搬損失を補償し、通信品質を向上させる信号処理装置、無線通信システムおよび信号処理方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得する取得部と、前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するパラメータ決定部と、前記複数の信号と前記合成パラメータとに基づいて、前記送信端末の送信信号を合成する合成部とを備える信号処理装置である。

【0006】

本発明の一態様は、上記態様に係る信号処理装置と、天体の上空を所定の軌道で移動し、複数のアンテナを備える無線通信装置と、前記天体上に設けられた送信端末とを備え、前記送信端末は、前記天体で観測された観測データを記憶する記憶部と、前記送信端末の位置を示す位置データを取得する位置取得部と、前記無線通信装置の軌道に基づいて前記観測データを送信するタイミングを決定するタイミング決定部と、決定した前記タイミングにおいて前記観測データと前記位置データとを格納した送信信号を送信する送信部とを備える無線通信システムである。

【0007】

本発明の一態様は、天体の上空を所定の軌道で移動する無線通信装置が備える複数のアンテナそれぞれが受信した複数の信号を取得するステップと、前記天体上に設けられた送信端末の位置と、前記軌道と、前記複数の信号の受信時刻とに基づいて、前記複数の信号の合成パラメータを決定するステップと、前記複数の信号と前記合成パラメータとに基づいて、前記送信端末の送信信号を合成するステップとを有する信号処理方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明により、天体の上空を移動する無線通信装置がデータを収集する際の伝搬損失を補償し、通信品質を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態による無線通信システムの構成図である。

【図2】第１の実施形態に係るエリアと移動中継局との関係の例を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係るカバレッジ内の存在エリアの変化を示す図である。

【図4】第１の実施形態に係る無線通信システムの処理を示すフロー図である。

【図5】第２の実施形態による無線通信システムの構成図である。

【図6】第２の実施形態に係る無線通信システムの処理を示すフロー図である。

【図7】第２の実施形態に係るＬＥＯ衛星の北上時の軌道とエリアの関係を示す図である。

【図8】第２の実施形態に係るＬＥＯ衛星の南下時の軌道とエリアの関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

【0011】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、端末局３と、基地局４とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３及び基地局４それぞれの数は任意であるが、端末局３の数は多数であることが想定される。

【0012】

移動中継局２は、移動体に搭載され、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、地球の上空を１周約１．５時間程度で周回する。端末局３及び基地局４は、地上や海上など地球上に設置される。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３は、センサが検出した環境データ等のデータを収集し、移動中継局２へ無線により送信する。同図では、２台の端末局３のみを示している。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信されたデータを無線信号により受信し、受信したこれらのデータを基地局４へ無線送信する。基地局４は、移動中継局２から端末局３が収集したデータを受信する。

【0013】

移動中継局２として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局を用いることが考えられる。しかし、静止衛星に搭載された中継局の場合、地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末との間の伝搬損失が大きいため、受信電力が非常に小さくなり、品質が劣化する。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、伝搬損失が小さく品質が高いものの、カバーエリアが狭い。さらには、ドローンにはバッテリーが、ＨＡＰＳには太陽光パネルが必要である。本実施形態では、ＬＥＯ衛星に移動中継局２を搭載する。よって、伝搬損失が限界内に収まることに加え、ＬＥＯ衛星は、大気圏外を周回するために空気抵抗がなく、燃料消費も少ない。また、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合と比較して、フットプリントも大きい。

【0014】

しかしながら、ＬＥＯに搭載された移動中継局２は、高速で移動しながら通信を行うために、無線信号にドップラーシフトが発生する。また、ＬＥＯに搭載された中継局は、ドローンやＨＡＰＳに中継局を搭載する場合よりも受信信号の伝搬損失が大きい。そこで、移動中継局２は、端末局３から複数アンテナにより無線信号を受信し、基地局４へ複数アンテナにより無線信号を送信する。複数アンテナを用いた通信のダイバーシティー効果、ビームフォーミング効果により、通信品質を高めることができる。本実施形態においては、移動中継局２は、端末局３から複数アンテナにより受信した無線信号を、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）により基地局４へ中継する場合を例に説明する。なお、基地局４へ中継する方法は、ＭＩＭＯ以外でもよい。

【0015】

各装置の構成を説明する。
移動中継局２は、複数の第１アンテナ２１と、端末通信部２２と、基地局通信部２４と、複数の第２アンテナ２５とを備える。端末通信部２２は、複数の受信部２２１と、合成部２２２と、復号部２２３と、記憶部２２４と、スケジュール決定部２２５と、パラメータ決定部２２６とを有する。複数の受信部２２１は、それぞれ複数の第１アンテナ２１に対応して設けられる。各受信部２２１は、対応する第１アンテナ２１を介して信号を受信する。合成部２２２は、複数の受信部２２１が受信した信号を、合成パラメータに従って合成することで、端末アップリンク信号を再生する。合成パラメータは、例えば各第１アンテナ２１の位相と振幅のオフセットによって表される。復号部２２３は、合成部２２２によって再生された端末アップリンク信号からデータを復号する。第１の実施形態に係る移動中継局２は、信号処理装置の一例である。

【0016】

記憶部２２４は、端末局３の位置データ及びＬＥＯ衛星の軌道データを記憶する。端末局３の位置データは、例えば緯度及び経度によって表される。ＬＥＯの軌道データは、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能なデータである。

【0017】

スケジュール決定部２２５は、記憶部２２４が記憶する端末局３の位置データ及び軌道データに基づいて、地上の複数のエリアのうち、複数の第１アンテナ２１による受信ビームの指向性を向けるエリアを決定する。第１の実施形態では、各エリアは緯度及び経度に基づいて略直方体状に区切られる。なお、緯線の長さは緯度によって異なるため、各エリアは厳密には直方体ではない。スケジュール決定部２２５は、複数のエリアのうち、端末局３が存在しているエリア（以下、存在エリア）を特定する。スケジュール決定部２２５は、軌道データに基づいて時刻毎の第１アンテナのカバレッジを計算し、エリアごとの通信可能時間帯を特定する。スケジュール決定部２２５は、存在エリアごとの端末局３の数と、通信可能時間帯とに基づいて、時刻毎に複数の第１アンテナ２１による受信ビームの指向性を向けるエリアを示す指向性スケジュールを決定する。

【0018】

図２は、第１の実施形態に係るエリアと移動中継局２との関係の例を示す図である。図２に示す例では、地上が複数のエリアに分けられている。各エリアは、所定の緯線及び経線で区切られている。図２に示す例では、緯度方向に６分割、経度方向に６分割された３６個のエリアが描かれている。図２に示すエリアは、緯度方向に割り振られた１－６の符号が、経度方向に割り振られたａ－ｆの符号が割り振られ、緯度・経度の符号の組み合わせによって一意に特定される。図２に示すように、移動中継局２のカバレッジは、地表に円状に投影され、移動中継局２に対し一定の位置関係を保つ。移動中継局２は、所定の軌道に沿って移動する。移動中継局２の軌道は緯度方向及び経度方向に対して傾いている。

【0019】

図２に示す例においては、移動中継局２のカバレッジに属するエリアは、３ｃ、３ｄ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、６ｃ及び６ｄである。ここで、端末局３が地上に多数設置されているとすると、カバレッジ内の存在エリアは、３ｄ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ｂ及び５ｃである。図３は、第１の実施形態に係るカバレッジ内の存在エリアの変化を示す図である。スケジュール決定部２２５は、ＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて、各時刻における通信可能な存在エリアを特定することで、存在エリア別の通信可能時間を特定することができる。スケジュール決定部２２５は、記憶部２２４が記憶する各端末局３の位置データに基づいて、通信可能な存在エリアごとの端末局３の数を特定する。スケジュール決定部２２５は、各エリアにおける端末局３の数と受信ビームの指向性を向ける時間が比例するように、指向性スケジュールを決定する。なお、指向性スケジュールにおいては、一の時間帯において通信可能な存在エリアのすべてに必ずしも指向性を向けなくてよい。例えば、２０２２／１１／５ ２３：００－２３：０２に通信可能な存在エリアは、４ｃ、４ｄ及び５ｃであるが、２０２２／１１／５ ２３：００－２３：０２の間に、４ｃ及び４ｄに指向性を向け、５ｃに指向性を向けないものであってもよい。すなわち、スケジュール決定部２２５は、１走査に係る指向性スケジュールの全体において、各エリアにおける端末局３の数と受信ビームの指向性を向ける時間が比例するように、指向性スケジュールを生成する。

【0020】

パラメータ決定部２２６は、スケジュール決定部２２５が決定した指向性スケジュールと時刻とに基づいて、合成部２２２の合成パラメータを設定する。移動中継局２の位置とエリアと合成パラメータとの関係は、予め計算によって求めておく。

【0021】

基地局通信部２４は、端末通信部２２が再生した端末アップリンク信号をＭＩＭＯにより基地局４へ中継する。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、ＭＩＭＯ送信部２４４とを備える。記憶部２４１は、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号の送信時刻毎のウェイトを予め記憶している。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間で表してもよい。送信時刻毎のウェイトは、ＬＥＯ衛星の軌道データと、各アンテナ局４１の位置とに基づいて計算される。

【0022】

制御部２４２は、記憶部２４１から読み出した送信時刻毎のウェイトをＭＩＭＯ送信部２４４に指示する。送信データ変調部２４３は、パラメータ決定部２２６が出力した復調情報を送信データとして入力し、入力した送信データをパラレル信号に変換した後、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、変調されたパラレル信号に、制御部２４２から指示されたウェイトにより重み付けを行い、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、生成した基地局ダウンリンク信号を第２アンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する。

【0023】

端末局３は、データ記憶部３１と、測位部３２と、送信部３３と、一または複数のアンテナ３４とを備える。データ記憶部３１は、センサデータ及びＬＥＯ衛星の軌道データを記憶する。測位部３２は、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などにより端末局３の位置を示す位置データを取得する。

【0024】

送信部３３は、ＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて、端末アップリンク信号の送信時間帯を決定する。すなわち、送信部３３は、端末局３が存在するエリアが移動中継局２が備えるアンテナのカバレッジ内に存在する時間帯を、端末アップリンク信号の送信時間帯として決定する。送信部３３は、データ記憶部３１が記憶するセンサデータ及び測位部３２が計測した位置データを端末送信データとして設定した端末アップリンク信号をアンテナ３４から無線により送信する。送信部３３は、例えば、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）により信号を送信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Term Evolution for Machines）、ＮＢ（Narrow Band）－ＩｏＴ等があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。また、送信部３３は、他の端末局３と時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）、ＭＩＭＯなどにより送信を行ってもよい。送信部３３は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部は、使用する無線通信方式において予め決められた方法により、複数のアンテナ３４から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

【0025】

基地局４は、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ受信部４２と、基地局信号受信処理部４３と、端末信号受信処理部４４とを備える。

【0026】

アンテナ局４１は、移動中継局２の複数の第２アンテナ２５それぞれからの信号の到来角差が大きくなるように他のアンテナ局４１と離れた位置に配置される。各アンテナ局４１は、移動中継局２から受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換してＭＩＭＯ受信部４２に出力する。

【0027】

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１から受信した基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道データと、各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１それぞれが受信した基地局ダウンリンク信号に対する受信時刻ごとのウェイトを記憶している。例えば、受信時刻は、受信開始のタイミングからの経過時間で表してもよい。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から入力した基地局ダウンリンク信号に対して、その基地局ダウンリンク信号の受信時刻に対応したウェイトを演算し、ウェイトが演算された受信信号を合成する。なお、受信時刻によらず同じウェイトを用いてもよい。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号の復調及び復号を行い、復調情報を得る。復調とは、ＲＦ信号をベースバンド信号に変換することをいう。復号とは、ベースバンド信号に含まれるシンボルからデータを得ることをいう。基地局信号受信処理部４３は、復調情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

【0028】

端末信号受信処理部４４は、端末アップリンク信号の受信処理を行う。端末信号受信処理部４４は、端末信号復号部４４１を備える。端末信号復号部４４１は、復調情報が示す端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

【0029】

無線通信システム１の動作を説明する。
図４は、第１の実施形態に係る無線通信システム１の処理を示すフロー図である。端末局３は、外部又は内部に備えられた図示しないセンサが検出したデータを取得し、取得したデータをデータ記憶部３１に書き込む（ステップＳ１１１）。測位部３２は、ＧＮＳＳなどに基づいて端末局３の位置データを取得する（ステップＳ１１２）。送信部３３は、ステップＳ１１２で取得した位置データとＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて、現在時刻がアップリンク信号の送信時間帯に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１１３）。送信部３３が現在時刻がアップリンク信号の送信時間帯に含まれないと判定した場合（ステップＳ１１３：ＮＯ）、端末局３はステップＳ１１１に処理を戻す。

【0030】

他方、送信部３３が現在時刻がアップリンク信号の送信時間帯に含まれると判定した場合（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、データ記憶部３１からセンサデータを読み出し、読み出したセンサデータ及びステップＳ１１２で取得した位置データを、端末送信データとして端末アップリンク信号に設定する。送信部３３は、端末送信データを設定した端末アップリンク信号をアンテナ３４から無線送信する（ステップＳ１１４）。端末局３は、処理をステップＳ１１３に戻す。これにより、端末局３は、送信時間帯の間、アップリンク信号の送信を続ける。

【0031】

移動中継局２のスケジュール決定部２２５は、記憶部２２４が記憶する端末局３の位置データ及び軌道データに基づいて、時刻毎に複数の第１アンテナ２１による受信ビームの指向性を向けるエリアを示す指向性スケジュールを決定する（ステップＳ１２１）。パラメータ決定部２２６は、スケジュール決定部２２５が決定した指向性スケジュールと軌道データとに基づいて、現在時刻における合成部２２２の合成パラメータを設定する（ステップＳ１２２）。

【0032】

移動中継局２の複数の受信部２２１は、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ１２３）。送信元の端末局３の無線通信方式によって、同一の周波数については時分割で１台の端末局３からのみ端末アップリンク信号を受信する場合と、同一の周波数で同時に複数台の端末局３から端末アップリンク信号を受信する場合がある。合成部２２２は、複数の受信部２２１が受信した端末アップリンク信号をステップＳ１２２で設定された合成パラメータに従って合成する（ステップＳ１２４）。この合成により、指向性スケジュールにおいて指向性を向けるエリアに存在する端末局３が送信した信号が強調され、ランダムに付加される雑音及び他のエリアに存在する端末局３が送信した信号の影響は低減される。復号部２２３は、合成された信号から端末アップリンク信号を復調・復号し、端末送信データを読み取る（ステップＳ１２５）。復号部２２３は、読み取った端末送信データに含まれる端末局３の位置データによって、記憶部２２４が記憶する位置データを更新する（ステップＳ１２６）。

【0033】

移動中継局２の送信データ変調部２４３は、復号部２２３が復調した復調情報を送信データとして入力する。送信データ変調部２４３は、送信データをパラレル変換した後、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、送信データ変調部２４３が変調した送信データに制御部２４２から指示されたウェイトにより重み付けを行って、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、生成した各基地局ダウンリンク信号を第２アンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ１２７）。移動中継局２は、ステップＳ１２１からの処理を繰り返す。

【0034】

基地局４の各アンテナ局４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ１３１）。各アンテナ局４１は、受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換した受信信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から受信した受信信号のタイミングを同期させる。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１が受信した受信信号を、ウェイトを用いて合成する。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号を復調する（ステップＳ１３２）。基地局信号受信処理部４３は、復調された受信信号を復号して得られた復調情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

【0035】

端末信号受信処理部４４の端末信号復号部４４１は、復調情報が示す端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る（ステップＳ１３３）。なお、端末信号復号部４４１は、ＳＩＣ（Successive Interference Cancellation）のように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。基地局４は、ステップＳ１３１からの処理を繰り返す。

【0036】

第１の実施形態によれば、移動中継局２は、端末局３の位置、ＬＥＯ衛星の軌道データ、及び時刻に基づいて、端末局３が存在するエリアへ受信ビームの指向性を向けて端末アップリンク信号を受信する。これにより、移動中継局２は、端末局３との間のアンテナ利得を向上させることができる。また、移動中継局２は、端末局３から位置データを受信し、記憶部２２４が記憶する端末局３の位置を逐次更新する。これにより、移動中継局２は、端末局３が移動したとしても、適切に受信ビームの方向を端末局３が存在するエリアへ向けることができる。移動中継局２と端末局３との距離は、同じカバレッジにおいてもカバレッジの中心付近と端部付近とで大きく異なる。これに対し、第１の実施形態によれば、移動中継局２が受信ビームを照射することで、移動中継局２と通信対象の端末局３との距離のばらつきを小さくすることができる。これにより、移動中継局２は、端末局３ごとの距離の違いを補償する必要性を低減することができる。

【0037】

また、第１の実施形態によれば、移動中継局２は、各エリアに存在する端末局３の数に応じて、エリアへ指向性を向ける時間を異ならせる。これにより、エリアにおける端末局３の密度によらず、各端末局３の端末アップリンク信号の受信機会を均等化させることができる。

【0038】

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る無線通信システム１は、端末アップリンク信号の波形データを蓄積し、蓄積した波形データを設定した基地局ダウンリンク信号を、基地局４に無線送信する。第２の実施形態に係る無線通信システム１を、第１の実施形態との差分を中心に説明する。

【0039】

図５は、第２の実施形態による無線通信システム１の構成図である。第２の実施形態に係る移動中継局２は、第１の実施形態に係る合成部２２２、復号部２２３、記憶部２２４、スケジュール決定部２２５及びパラメータ決定部２２６に代えて、波形記憶部２２７を備える。波形記憶部２２７は、受信部２２１が受信した信号の波形データを記憶する。具体的には、波形記憶部２２７は、第１アンテナ２１のＩＤと信号の受信時刻と波形データとを関連付けて記憶する。各受信部２２１は、受信した信号の受信波形をサンプリングし、波形記憶部２２７に記録する。

【0040】

第２の実施形態に係る基地局４の端末信号受信処理部４４は、第１の実施形態の構成に加え、さらに記憶部４４２、パラメータ決定部４４３及び合成部４４４を備える。
記憶部４４２は、時刻毎の端末局３の位置データ及びＬＥＯ衛星の軌道データを記憶する。パラメータ決定部４４３は、復号すべき端末アップリンク信号を送信した端末局３の位置データを記憶部４４２から読み出し、読み出した位置データとＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて端末局３が端末アップリンク信号を送信した時間帯を特定する。特定した時間帯に係るＬＥＯ衛星の位置に基づいて、端末局３が存在するエリアからの信号強度が強くなるような合成パラメータを決定する。

【0041】

合成部４４４は、基地局信号受信処理部４３が復号して得られた波形データのうち、特定した時間帯に受信されたアンテナ別の波形データを抽出する。合成部４４４は、抽出した複数の波形データが示す波形をパラメータ決定部４４３が決定した合成パラメータに従って合成する。端末信号復号部４４１は、合成部４４４が合成して得られた波形から、端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

【0042】

図６は、第２の実施形態に係る無線通信システム１の処理を示すフロー図である。第２の実施形態に係る端末局３は、第１の実施形態と同様の処理を行う。
移動中継局２の複数の受信部２２１は、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ２２１）。各受信部２２１は、受信した信号をサンプリングして波形データを生成し、第１アンテナ２１のＩＤ及び受信時刻に関連付けて波形記憶部２２７に記録する（ステップＳ２２２）。

【0043】

移動中継局２の送信データ変調部２４３は、波形記憶部２２７が記憶する複数の波形データを送信データとして入力する。送信データ変調部２４３は、送信データをパラレル変換した後、変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、送信データ変調部２４３が変調した送信データに制御部２４２から指示されたウェイトにより重み付けを行って、各第２アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、生成した各基地局ダウンリンク信号を第２アンテナ２５からＭＩＭＯにより送信する（ステップＳ２２３）。移動中継局２は、ステップＳ２２１からの処理を繰り返す。

【0044】

基地局４の各アンテナ局４１は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号を受信する（ステップＳ２３１）。各アンテナ局４１は、受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換した受信信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から受信した受信信号のタイミングを同期させる。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１が受信した受信信号を、ウェイトを用いて合成する。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号を復調する。基地局信号受信処理部４３は、復調された受信信号を復号して得られた波形データを端末信号受信処理部４４に出力する（ステップＳ２３２）。

【0045】

端末信号受信処理部４４は、複数の端末局３を１つずつ選択し（ステップＳ２３３）、端末局３ごとに以下のステップＳ２３４からステップＳ２３７の処理を実行する。
端末信号受信処理部４４のパラメータ決定部４４３は、ステップＳ２３３で選択した端末局３の位置データを記憶部４４２から読み出す。パラメータ決定部４４３は、読み出した位置データとＬＥＯ衛星の軌道データに基づいてステップＳ２３３で選択した端末局３が端末アップリンク信号を送信した時間帯を特定する。パラメータ決定部４４３は、特定した時間帯に係るＬＥＯ衛星の位置に基づいて、端末局３が存在するエリアからの信号強度が強くなるような合成パラメータを決定する（ステップＳ２３４）。

【0046】

合成部４４４は、ステップＳ２３２で復調された波形データのうち、ステップＳ２３３で選択した端末局３が端末アップリンク信号を送信した時間帯に係る波形データを抽出する。合成部４４４は、抽出した複数の波形データが示す波形をステップＳ２３４で決定した合成パラメータに従って合成する（ステップＳ２３５）。端末信号復号部４４１は、合成部４４４が合成して得られた波形から、端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る（ステップＳ２３６）。端末信号復号部４４１は、端末送信データに含まれる端末局３の位置データを用いて記憶部４４２が記憶する端末局３の位置データを更新する（ステップＳ２３７）。基地局４は、ステップＳ２３１からの処理を繰り返す。

【0047】

第２の実施形態によれば、基地局４は、端末局３の位置、ＬＥＯ衛星の軌道データ、及び時刻に基づいて、端末局３が存在するエリアからの信号強度が強くなるように波形データを合成する。これにより、基地局４は、端末局３との間の伝搬損失を補償し、通信品質を向上させることができる。また、基地局４は、端末アップリンク信号から位置データを読み出し、記憶部４４２が記憶する端末局３の位置を逐次更新する。これにより、基地局４は、端末局３が移動したとしても、端末局３が存在するエリアからの信号強度が強くなるように波形データを合成する。これにより、基地局４は、端末局３との間の伝搬損失を補償し、通信品質を向上させることができる。

【0048】

以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

【0049】

上述した実施形態において、各エリアは図２に示すように緯度及び経度によって区切られるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係るエリアは、経度に代えてＬＥＯ衛星の軌道に平行な線で区切られてもよい。図７は、第２の実施形態に係るＬＥＯ衛星の北上時の軌道とエリアの関係を示す図である。図８は、第２の実施形態に係るＬＥＯ衛星の南下時の軌道とエリアの関係を示す図である。エリアをＬＥＯ衛星の軌道に平行な直線で区切ることで、エリアの時間率を均一にすることができる。なお、ＬＥＯ衛星が準天頂軌道で移動する場合、北上時と南下時で軌道角が異なる。そのため、移動中継局２や基地局４は、エリアと位置との関係を北上時と南下時のそれぞれについて記憶しておき、合成パラメータを生成する際に、ＬＥＯ衛星が北上しているか南下しているかに応じて端末局３が存在するエリアを判定する。

【0050】

上述した実施形態において、移動中継局２がＬＥＯ衛星に搭載されるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る移動中継局２は、静止衛星、ドローン、ＨＡＰＳなど他の飛行体に搭載されてもよい。また、上述した実施形態において移動中継局２は地球の上空を移動し、端末局３及び基地局４は、地球上に設けられるが、他の実施形態に係る無線通信システム１は、月など地球以外の天体を対象とするものであってもよい。

【0051】

上述した実施形態において、端末局３は自律的に端末アップリンク信号の送信タイミングを特定するが、他の実施形態ではこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る端末局３は、移動中継局２からビーコン信号などによる送信タイミングの通知を受信し、当該送信タイミングに従って端末アップリンク信号を送信してもよい。

【0052】

移動中継局２や基地局４によって実現される信号処理装置は、バスで接続されたプロセッサ、メモリ、補助記憶装置などを備え、信号処理プログラムを実行することによって各処理部を備える。プロセッサの例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
信号処理プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えば磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記憶装置である。信号処理プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
なお、信号処理装置の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を用いて実現されてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

【符号の説明】

【0053】

１…無線通信システム ２…移動中継局 ２１…第１アンテナ ２２…端末通信部 ２２１…受信部 ２２２…合成部 ２２３…復号部 ２２４…記憶部 ２２５…スケジュール決定部 ２２６…パラメータ決定部 ２２７…波形記憶部 ２４…基地局通信部 ２４１…記憶部 ２４２…制御部 ２４３…送信データ変調部 ２４４…ＭＩＭＯ送信部 ２５…第２アンテナ ３…端末局 ３１…データ記憶部 ３２…測位部 ３３…送信部 ３４…アンテナ ４…基地局 ４１…アンテナ局 ４２…ＭＩＭＯ受信部 ４３…基地局信号受信処理部 ４４…端末信号受信処理部 ４４１…端末信号復号部 ４４２…記憶部 ４４３…パラメータ決定部 ４４４…合成部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】