特許 7606579 通信中継装置、遠隔制御装置、システム、アンテナ制御方法及びプログラム

(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】2024-12-17

(45)【発行日】2024-12-25

(54)【発明の名称】通信中継装置、遠隔制御装置、システム、アンテナ制御方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H04W 16/28 20090101AFI20241218BHJP

   H04W 84/06 20090101ALI20241218BHJP

   H04B 7/0413 20170101ALI20241218BHJP

   H04B 7/185 20060101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

H04W16/28

H04W84/06

H04B7/0413 310

H04B7/185

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023177048

(22)【出願日】2023-10-12

【審査請求日】2023-10-17

【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年度国立研究開発法人情報通信研究機構「革新的情報通信技術研究開発委託研究／上空プラットフォームにおけるＣＰＳを活用した動的エリア最適化技術」、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】星野 兼次

(72)【発明者】

【氏名】柴田 洋平

(72)【発明者】

【氏名】高畠 航

【審査官】永田 義仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２１３０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１６１７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３６０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】星野 兼次, 柴田 洋平, 高畠 航, 田代 晃司, 大槻 知明，上空プラットフォームにおけるカバーエリア最適化に関する研究開発，電子情報通信学会２０２３年通信ソサイエティ大会講演論文集１，一般社団法人電子情報通信学会，2023年09月05日，p.SS-23～SS-24

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｂ７／０２－７／２６

Ｈ０４Ｌ１／０２－１／０６

Ｈ０４Ｗ４／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置であって、
前記複数の端末装置の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するエリア最適化制御部と、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するフットプリント固定制御部と、
記憶部と、を備え、
前記エリア最適化制御部は、
前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定し、
前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化し、
前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を前記記憶部に保存し、
前記フットプリント固定制御部は、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御する、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項2】

請求項１の通信中継装置において、
前記エリア最適化制御を、一定間隔又は可変間隔の頻度で実行し、
前記フットプリント固定制御を、前記エリア最適化制御よりも高頻度で又は連続して実行する、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項3】

請求項１の通信中継装置において、
前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであり、
前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含み、
前記フットプリント固定制御部は、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算し、
前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算し、
前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用する、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項4】

請求項１の通信中継装置において、
前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含み、
前記フットプリント固定制御部は、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算し、
前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御する、
ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
前記機体に搭載された前記中継通信局は、送受信信号を再生せずに中継するリピータ型の中継通信局である、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項6】

請求項１乃至４のいずれかの通信中継装置において、
前記機体に搭載された前記中継通信局は、送受信信号を再生し、再生した信号を再変調して中継する基地局装置を有する基地局型の中継通信局である、ことを特徴とする通信中継装置。

【請求項7】

上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置であって、
前記複数の端末装置の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するエリア最適化制御部と、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するフットプリント固定制御部と、
記憶部と、を備え、
前記エリア最適化制御部は、
前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定し、
前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化し、
前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を前記記憶部に保存し、
前記フットプリント固定制御部は、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御する、
ことを特徴とする遠隔制御装置。

【請求項8】

請求項７の遠隔制御装置において、
前記エリア最適化制御を、一定間隔又は可変間隔の頻度で実行し、
前記フットプリント固定制御を、前記エリア最適化制御よりも高い頻度で又は連続して実行する、
ことを特徴とする遠隔制御装置。

【請求項9】

請求項７又は８の遠隔制御装置と、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と、を備えるシステム。

【請求項10】

上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成するときのアンテナ制御方法であって、
前記複数の端末装置の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行することと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行することと、
前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定することと、
前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化することと、
前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を記憶することと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御することと、
を含む、ことを特徴とするアンテナ制御方法。

【請求項11】

請求項１０のアンテナ制御方法において、
前記エリア最適化制御を一定間隔又は可変間隔の頻度で実行することと、
前記フットプリント固定制御を、前記エリア最適化制御よりも高頻度で又は連続して実行することと、
を含む、ことを特徴とするアンテナ制御方法。

【請求項12】

上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継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の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するためのプログラムコードと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行ためのプログラムコードと、
前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置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位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、
前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を記憶するためのプログラムコードと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するためのプログラムコードと、
を含むことを特徴とするプログラム。

【請求項13】

上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御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の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するためのプログラムコードと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するためのプログラムコードと、
前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置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位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、
前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を記憶するためのプログラムコードと、
前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの主指向性方向を制御するためのプログラムコードと、
を含むことを特徴とするプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、上空中継型（空中滞在型）の通信中継装置が地上又は海上に向けて形成するセルで構成されるサービスエリアの最適化に関する。

【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。）等の通信中継装置が地上に形成するサービスエリア（以下、単に「エリア」ともいう。）の全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようにサービスリンクのアンテナパラメータ（例えばセル形成のビームの方向及び幅）を最適化するエリア最適化を行う方法が知られている（特許文献１～３、非特許文献１～６参照）。

【0003】

例えば、非特許文献１には、エリアにおける端末装置としてのユーザ装置（以下「ＵＥ」ともいう。）の分布が一様分布であると想定してエリア最適化を行う方法が開示されている。また、非特許文献２には、エリアが複数のセルで構成されている場合に、エリア全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようセルごとに最適化を行う方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２２－１６１７３４号公報

【文献】特開２０２２－１６１７４２号公報

【文献】特許第７３１８０４７号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Y. Shibata, N. Kanazawa, M. Konishi, K. Hoshino, Y. Ohta and A. Nagate, "System Design of Gigabit HAPS Mobile Communications," in IEEE Access, vol. 8, pp. 157995-158007, 2020.

【文献】柴田洋平， 高畠航， 星野兼次， 長手厚史， "複数セル構成におけるユーザ分布を考慮したＨＡＰＳ動的セル制御アルゴリズム"， 信学技報， ｖｏｌ． １２０， ｎｏ． ３２２， ＲＣＳ２０２０－１８５， ｐｐ． １７０－１７５， ２０２１年１月．

【文献】Shaoshuai Fan, Hui Tian1 and Cigdem Sengul ,"Self-optimization of coverage and capacity based on a fuzzy neural network with cooperative reinforcement learning", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2014.

【文献】Rubayet Shafin, Hao Chen, Young Han Nam, Sooyoung Hur, Jeongho Park, Jianzhong (Charlie) Zhang, Jeffrey Reed, and Lingjia Liu "Self-Tuning Sectorization: Deep Reinforcement Learning Meets Broadcast Beam Optimization", IEEE Transactions on Wireless Communications, 2020.

【文献】Eren Balevi and Jeffrey G. Andrews ,"A Novel Deep Reinforcement Learning Algorithm for Online Antenna Tuning",in Proc. IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2019.

【文献】Yohei Shibata, Wataru Takabatake, Kenji Hoshino, Atsushi Nagate and Tomoaki Ohtsuki, "Two-Step Dynamic Cell Optimization Algorithm for HAPS Mobile Communications", IEEE Access, vol. 10, pp.68085-68098, 2022.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のエリア最適化の方法では、サービスエリア内のユーザ分布（端末装置の分布）の取得やエリア最適化の計算処理に時間がかかる。そのため、上空のＨＡＰＳ等のプラットフォーム（通信中継装置）の機体の高速移動、旋回又は姿勢変化が発生した場合、機体から見たユーザ分布（端末装置の分布）が高速に移動又は回転し、サービスエリアをカバーするセルを形成するためのアンテナパラメータを最適化する処理が間に合わず、サービスエリアのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができないおそれがある。

【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、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継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の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するエリア最適化制御部と、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するフットプリント固定制御部と、を備える。

【0008】

本発明の他の態様に係る遠隔制御装置は、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御装置である。この遠隔制御装置は、前記複数の端末装置の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するエリア最適化制御部と、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するフットプリント固定制御部と、を備える。

【0009】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記エリア最適化制御部は、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定し、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化し、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を、前記サービスリンク用アンテナに適用してもよい。

【0010】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであってもよく、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含んでもよい。ここで、前記エリア最適化制御部は、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算し、前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用してもよい。

【0011】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含んでもよく、前記エリア最適化制御部は、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御してもよい。

【0012】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記エリア最適化制御は、一定間隔又は可変間隔の頻度で実行し、前記フットプリント固定制御は、前記エリア最適化制御よりも高頻度で又は連続して実行してもよい。

【0013】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、記憶部を備え、前記エリア最適化制御部は、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定し、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化し、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を前記記憶部に保存してもよく、前記フットプリント固定制御部は、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御してもよい。

【0014】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであってもよく、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含んでもよい。ここで、前記フットプリント固定制御部は、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算し、前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算し、前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用してもよい。

【0015】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含んでもよい。ここで、前記フットプリント固定制御部は、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算し、前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御してもよい。

【0016】

前記通信中継装置及び前記遠隔制御装置において、前記機体に搭載された前記中継通信局は、送受信信号を再生せずに中継するリピータ型の中継通信局であってもよいし、又は、送受信信号を再生し、再生した信号を再変調して中継する基地局装置を有する基地局型の中継通信局であってもよい。

【0017】

本発明の更に他の態様に係るシステムは、前記いずれかの遠隔制御装置と、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と、を備える。

【0018】

本発明の更に他の態様に係る方法は、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成するときのアンテナ制御方法である。このアンテナ制御方法は、前記複数の端末装置の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行することと、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行することと、を含む。

【0019】

前記アンテナ制御方法において、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定することと、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化することと、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用することと、を含んでもよい。

【0020】

前記アンテナ制御方法において、前記エリア最適化制御を一定間隔又は可変間隔の頻度で実行することと、前記フットプリント固定制御を、前記エリア最適化制御よりも高頻度で又は連続して実行することと、を含んでもよい。

【0021】

前記アンテナ制御方法において、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置を推定することと、前記複数の端末装置の位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化することと、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を記憶することと、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御することと、を含んでもよい。

【0022】

前記アンテナ制御方法において、前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであってもよく、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含んでもよい。ここで、前記アンテナパラ制御方法は、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算することと、前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用することと、を含んでもよい。

【0023】

前記アンテナ制御方法において、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含んでもよい。ここで、前記アンテナ制御方法は、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御することを含んでもよい。

【0024】

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継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の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行ためのプログラムコードと、を含む。

【0025】

本発明の更に他の態様に係るプログラムは、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する上空中継型の通信中継装置と通信可能な遠隔制御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の位置の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御を実行するためのプログラムコードと、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するフットプリント固定制御を実行するためのプログラムコードと、を含む。

【0026】

前記プログラムにおいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置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位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値を、前記サービスリンク用アンテナに適用するためのプログラムコードとを含んでもよい。

【0027】

前記プログラムにおいて、前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであってもよく、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含んでもよい。ここで、前記プログラムは、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算するためのプログラムコードと、前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用するためのプログラムコードとを含んでもよい。

【0028】

前記プログラムにおいて、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含んでもよく、前記プログラムは、前記アンテナパラメータの最適値に基づいて、前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御するためのプログラムコードを含んでもよい。

【0029】

前記プログラムにおいて、前記エリア最適化制御を一定間隔又は可変間隔の頻度で実行するためのプログラムコードと、前記フットプリント固定制御を前記エリア最適化制御よりも高頻度で又は連続して実行するためのプログラムコードとを含んでもよい。

【0030】

前記プログラムにおいて、前記サービスエリアにおける前記複数の端末装置の位置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位置の推定結果に基づいて、前記サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化するためのプログラムコードと、前記最適化が完了した後の前記アンテナパラメータの最適値又は前記アンテナパラメータの初期値を基準にした前記最適値のオフセット値を記憶するためのプログラムコードと、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスエリアにおける前記セルのフットプリントの位置を固定するように、前記サービスリンク用アンテナが形成するビームの方向又は前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を制御するためのプログラムコードと、を含んでもよい。

【0031】

前記プログラムにおいて、前記サービスリンク用アンテナは、複数のアンテナ素子を有するビームフォーミング制御可能なアレイアンテナであってもよく、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向、垂直ビーム方向及びビーム幅を含んでもよい。ここで、前記プログラムは、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算するためのプログラムコードと、前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記複数のアンテナ素子に対応する複数のアンテナウェイトを計算するためのプログラムコードと、前記複数のアンテナ素子で送受信される複数の信号に前記複数のアンテナウェイトを適用するためのプログラムコードと、を含んでもよい。

【0032】

前記プログラムにおいて、前記最適化の対象のアンテナパラメータは、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームの水平ビーム方向及び垂直ビーム方向を含んでもよい。ここで、前記プログラムは、前記機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記サービスリンク用アンテナから前記セルに向けて形成するビームのステアリング方向を計算するためのプログラムコードと、前記ビームのステアリング方向の計算結果と、前記記憶部に記憶されている前記アンテナパラメータの最適値又は前記オフセット値とに基づいて、前記サービスリンク用アンテナの指向性方向を変更するように前記サービスリンク用アンテナを駆動制御するためのプログラムコードと、を含んでもよい。

【0033】

前記プログラムの全部又は一部は、機械学習によって作成された学習済モデルを含んでもよい。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、上空中継型の通信中継装置の機体の高速移動、旋回又は姿勢変化が発生する環境下でも、サービスエリアのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】図１は、実施形態に係る通信システムの全体の構成の一例を示す説明図である。

【図2】図２（ａ）は、７個のセルで構成されるサービスエリア内のセルごとのエリア最適化制御を適用する前のセルの配置及びサイズの一例を示す説明図である。図２（ｂ）は、同エリア最適化制御を適用した後のセルの配置及びサイズの一例を示す説明図である。

【図3】図３は、エリア最適化制御に用いるアンテナパラメータとしてのアンテナチルト角、水平半値幅及び垂直半値幅の一例を示す説明図である。

【図4】図４は、参考例に係るエリア最適化制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。

【図5】図５（ａ）は、７個のセルで構成されるサービスエリアにおいてＦＰ固定制御を適用する前のセルの配置の一例を示す説明図である。図５（ｂ）は、同ＦＰ固定制御を適用した後のセルの配置の一例を示す説明図である。

【図6】図６は、実施形態に係る制御システムおけるエリア最適化制御とＦＰ固定制御との組み合わせの一例を説明図である。

【図7】図７は、実施形態に係る通信中継装置（ＨＡＰＳ）のヨー回転を考慮した場合のエリア最適化制御とＦＰ固定制御との組み合わせによるセルの配置及びサイズの変化の一例を示す説明図である。

【図8】図８は、実施形態に係るエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を含む全体制御の一例を示すフローチャートである。

【図9】図９は、図８の全体制御におけるＦＰ固定制御の一例を示すフローチャートである。

【図10】図１０は、図８の全体制御におけるエリア最適化制御の一例を示すフローチャートである。

【図11】図１１は、実施形態に係るエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を含む全体制御の他の例を示すフローチャートである。

【図12】図１２は、実施形態に係る制御システムの装置構成の一例を示す説明図である。

【図13】図１３は、実施形態に係る制御システムの装置構成の他の例を示す説明図である。

【図14】図１４は、実施形態に係る制御システムの装置構成の更に他の例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

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、上空プラットフォームとしての上空中継型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）から地上又は海上に向けて形成するサービスエリアにおける複数のセルのフットプリントを固定するフットプリント固定制御（以下「ＦＰ固定制御」ともいう。）により、通信中継装置の機体の高速移動、旋回又は姿勢変化による機体から見たセルの移動及び回転を補償するとともに、サービスエリアをカバーするセルを形成するためのアンテナパラメータを最適化するエリア最適化制御により、機体の高速移動、旋回又は姿勢変化が発生する環境下でもサービスエリアのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができる制御システムを含む通信システムである。特に、本実施形態に係るシステムは、ＦＰ固定制御とエリア最適化制御との間でメモリ等の記憶装置を介して各制御に用いるアンテナパラメータを共有し、ＦＰ固定制御よりも低い頻度で、処理に時間を要するエリア最適化制御を実行し、エリア最適化制御で得られたアンテナパラメータの最適値又はそのオフセット値を記憶し、そのエリア最適化制御を実行して記憶したアンテナパラメータの最適値又はそのオフセット値を参照しながら、エリア最適化制御よりも高い頻度で又は連続して、サービスエリアに向けて形成するセルを固定するＦＰ固定制御を実行する制御システムを含む通信システムである。

【0037】

図１は、実施形態に係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、本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（以下「ＵＥ」という。）６１への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はその後の世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。また、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及びＵＥに適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。

【0038】

図１に示すように、通信システムは、上空プラットフォームを構成する上空中継型の通信中継装置（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、上空滞在型又は空中浮揚型の通信中継装置であり、所定高度の空域に位置して、対象のサービスエリア２０Ａに向けた所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。

【0039】

ＨＡＰＳ１０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される飛行体又は浮揚体の機体１００に、中継通信局１１０が搭載されたものである。ＨＡＰＳ１０が位置する空域は、例えば、高度Ｈが１８［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域であってもよい。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。

【0040】

ＨＡＰＳ１０で３次元セルを形成する目標の空域であるセル形成目標空域は、ＨＡＰＳ１０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ又は次世代のｇＮｏｄｅＢ）がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域であってもよい。

【0041】

セル形成目標空域は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、ＨＡＰＳ１０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置するＵＥ６１との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。

【0042】

ＨＡＰＳ１０は、上空に位置する飛行体又は浮揚体等の機体１００に設けられた中継通信局１１０のサービスリンクアンテナ（「ＳＬアンテナ」ともいう。）１１１を介してＵＥ６１と無線通信する。ＨＡＰＳ１０は、例えばバッテリー及び太陽光発電システムの少なくとも一方を備え電力で飛行することができる。ＨＡＰＳ１０は、図示のソーラープレーン型のＨＡＰＳのほか、飛行船型のＨＡＰＳであってもよい。また、中継通信局１１０が設けられるＨＡＰＳ１０は、人工衛星（例えば、通信衛星）、気球、又は、ドローン、ＵＡＳ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等の無人航空機（ＵＡＶ：Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）であってもよい。また、ＨＡＰＳ１０は、動力源として、バッテリー及びエンジンの少なくとも一方を備えて飛行してもよい。ＵＡＶは、例えば、燃料で飛行する無人飛行機、又は、バッテリー等で飛行するドローンであってもよい。

【0043】

中継通信局１１０は、サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）１１１とフィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」ともいう。）１１２と、を備える。中継通信局１１０は、ＳＬアンテナ１１１を介して、ＵＥ６１と間でサービスリンクＳＬの通信を行うことができる。ＳＬアンテナ１１１は、例えば、対象のサービスエリア２０Ａに複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）を形成する複数のビームのそれぞれについてビームの方向及び幅を制御することができるビームフォーミング制御可能なアレイアンテナである。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）である。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。また、複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）が地上（又は海上など）に到達した複数の通信エリアがフットプリント２０Ｆ（１）～２０Ｆ（７）である。

【0044】

なお、図示の例では、ＳＬアンテナ１１１を介して７個のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）を形成する場合を示しているが、セル２０Ｃの数は単数でもよいし、２個～６個でもよいし、８個以上であってもよい。

【0045】

ＳＬアンテナ１１１は、例えば、複数のアンテナ素子が２次元的に又は３次元的に配列され、地上に向けて複数のビームを形成可能な単数又は複数のアレイアンテナである。ＳＬアンテナ１１１は、多数のアンテナ素子が２次元配列され、水平方向と垂直方向のビーム指向性を制御できるＭａｓｓｉｖｅアンテナであってもよい。

【0046】

中継通信局１１０は、ＦＬアンテナ１１２を介して、地上（又は海上等）に設けられたＨＡＰＳ用のゲートウェイ装置（「フィーダ局」ともいう。以下「ＧＷ局」という。）７０と間でフィーダリンクＦＬの通信を行うことができる。ＦＬアンテナ１１２は、例えば指向性（指向性ビームの方向）を制御できるアレイアンテナである。ＦＬアンテナ１１２は、例えば、複数のアンテナ素子が２次元的に又は３次元的に配列された単数又は複数のアレイアンテナである。ＦＬアンテナ１１２は、多数のアンテナ素子が２次元配列され、水平方向と垂直方向の指向性を制御できるＭａｓｓｉｖｅアンテナであってもよい。図中のフィーダリンクＦＬ（Ｆ）は、ＧＷ局７０からＨＡＰＳ１０を経由してＵＥ６１に向かうフォワードリンクであり、フィーダリンクＦＬ（Ｒ）は、ＵＥ６１からＨＡＰＳ１０を経由してＧＷ局７０に向かうリバースリンクである。

【0047】

ＨＡＰＳ１０の機体１００に搭載された中継通信局１１０は、送受信信号を再生せずに中継するリピータ型の中継通信局でもよいし、又は、送受信信号を再生し、再生した信号を再変調して中継する基地局装置を有する基地局型の中継通信局であってもよい。

【0048】

リピータ型の中継通信局１１０は、ＧＷ局７０からなるリピータ親機に対応するリピータ子機として機能し、例えば、サービスリンクと周波数の異なるフィーダリンクの周波数を変換する無線中継装置（以下「周波数変換リピータ」ともいう。）である。下り回線では、中継通信局１１０は、基地局装置８０からＧＷ局７０を介して送信されたフィーダリンクの周波数をサービスリンクの周波数に変換し、ＵＥ６１に送信する。一方、上り回線では、中継通信局１１０は、ＵＥ６１から送信されたサービスリンクの周波数をフィーダリンクの周波数に変換し、ＧＷ局７０を介して基地局装置８０に送信する。

【0049】

リピータ型の中継通信局１１０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、例えば、ＳＬアンテナ１１１を介して受信したサービスリンクＳＬの受信信号を増幅する低ノイズ増幅器、ＳＬアンテナ１１１を介して送信するサービスリンクＳＬの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ＳＬの周波数とフィーダリンクＦＬの周波数との間の変換を行う。

【0050】

基地局型の中継通信局１１０は、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、ＧＷ局７０を経由するバックホール回線を介して移動通信網９０の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、中継通信局１１０内の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、ＦＬアンテナ１１２を介して送受信されるフィーダリンク信号の周波数との間の変換を行う。

【0051】

なお、以下に示す実施形態では、ＨＡＰＳ１０の機体１００に搭載された中継通信局１１０がリピータ型の中継通信局（リピータ子機）である場合について主に説明する。

【0052】

ＵＥ（ユーザ装置）６１は、地上又は海上などでユーザが使用する端末装置である。ＵＥ６１は、例えば、携帯電話機、スマートフォン、移動通信機能を有する携帯パソコン等であり、携帯端末、移動局、移動機、携帯型の通信端末とも呼ばれる。ＵＥ６１は、自動車等の車両、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローンなどの移動体に組み込まれたモジュール状の移動局であってもよいし、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスの端末装置であってもよい。

【0053】

ＨＡＰＳ１０は、内部に組み込まれたコンピュータ又はプロセッサ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１１０での処理及び制御を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０は、後述のエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を自律的に行うことができる。また、ＨＡＰＳ１０は、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報等のＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）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１１０での処理及び制御を自律制御してもよい。

【0054】

ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢の情報は、そのＨＡＰＳ１０に組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサ、慣性センサなどの出力に基づいて取得してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢の情報は、ＨＡＰＳ１０に組み込んだＧＮＳＳシステムと慣性測定ユニット（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）とを組み合わせたＧＮＳＳ慣性航法システム（ＧＮＳＳ／ＩＮＳ）の出力に基づいて取得してもよい。

【0055】

また、ＨＡＰＳ１０の浮揚移動（飛行）や中継通信局１１０での処理及び制御は、移動通信網９０の通信センター等に設けられた遠隔制御装置９５によって制御できるようにしてもよい。遠隔制御装置９５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。ＨＡＰＳ１０は、遠隔制御装置９５からの制御情報を受信したり遠隔制御装置９５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、遠隔制御装置９５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。

【0056】

遠隔制御装置９５は、例えば、ＨＡＰＳ１０と連携することにより後述のエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を行ってもよい。

【0057】

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１１０での処理に関する情報、ＨＡＰＳ１０の位置情報、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、遠隔制御装置９５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。

【0058】

中継通信局１１０と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と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。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つのＵＥと同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ－ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なるＵＥに同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つのＵＥに同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。

【0059】

上記構成の通信システムにおいて、例えば基地局装置８０からの信号がＧＷ局７０及びＨＡＰＳ１０で中継され、地上のＵＥ６１に通信サービスを提供することができる。特に、本実施形態の通信システムによれば、上空プラットフォームとして機能する上空中継型の通信中継装置としてのＨＡＰＳ１０により、高度１８［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下（特に２０［ｋｍ］程度）の成層圏から直接地上のＵＥ（携帯端末）６１等に超広域の移動通信サービスを提供することができる。また、ＨＡＰＳ１０からなる上空プラットフォームは、大規模災害等を用途とした新たな通信フォームとして注目されている。

【0060】

本実施形態の通信システムでは、ＨＡＰＳ１０等の上空プラットフォームが地上に向けて形成する複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）で構成されるサービスエリア２０Ａの全体で所望の通信品質（例えば、スループット）が得られるようにＳＬアンテナ１１１のアンテナパラメータを最適化するエリア最適化を行う。例えば、複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）でサービスエリア２０ＡをカバーするＨＡＰＳ１０等の上空プラットフォームにおいて、人口分布（又は、ユーザ分布、ＵＥ分布等）に応じて各セルのビームの方向や幅を最適化するエリア最適化制御を行う。

【0061】

例えば、図２（ａ）に示すようにエリア最適化制御を適用しないでサービスエリア２０Ａに同じサイズの複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）を均一に分布させるように形成する場合、図中のサービスエリア２０Ａの左側に位置するユーザ（ＵＥ）密集エリアにおけるカバレッジ及び通信容量が低下するおそれがある。一方、図２（ｂ）では、サービスエリア２０Ａにおける人口分布等にビッグデータに基づいて、複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）のそれぞれに対するビームの方向や幅を最適化するエリア最適化制御を適用している。このようにエリア最適化制御を適用することにより、サービスエリア２０Ａの左側に位置するユーザ（ＵＥ）密集エリアを集中的にカバーするようにユーザ（ＵＥ）密集エリアをカバーするセル数を高め、ユーザ（ＵＥ）密集エリアにおける通信容量の低下を抑えることができる。これにより、サービスエリア２０Ａにおけるカバレッジ及び通信容量の最大化を行うことができる。

【0062】

エリア最適化制御では、例えば、Ｎ個のセルで構成されるエリアのエリア最適化において、エリア内の任意のｉ番目のセルｉに対する複数種類のアンテナパラメータとして、次の４種類のアンテナパラメータＡ～Ｄを定義して用いる。
Ａ．チルト角θ_{ｔｉｌｔ，ｉ}
Ｂ．垂直半値幅θ_{３ｄＢ，ｉ}
Ｃ．水平半値幅φ_{３ｄＢ，ｉ}
Ｄ．セルの水平指向方向ω_ｉ

【0063】

図３に示すように、チルト角θ_{ｔｉｌｔ，ｉ}は、ＨＡＰＳ１０のＳＬアンテナ１１１から対象のｉ番目のセル２０Ｃ（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃの水平方向Ｈからの角度である。垂直半値幅θ_{３ｄＢ，ｉ}は、ｉ番目のセル２０Ｃ（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃを含む垂直面Ｐ_Ｖにおいてビームの利得が主ビーム中央の最大利得から３ｄＢ減少した２点間の角度幅である。水平半値幅φ_{３ｄＢ，ｉ}は、ｉ番目のセル２０Ｃ（ｉ）の中心に向かうベクトルＶｃを含む水平面Ｐ_Ｈにおいてビームの利得が主ビーム中央の最大利得から３ｄＢ減少した２点間の角度幅である。

【0064】

また、ｉ番目のセルの水平指向方向ω_ｉは、ＨＡＰＳ１０のＳＬアンテナ１１１の位置を基準点として含む水平面において、所定の基準水平方向Ｈｓを基準にして、上記基準点から対象のセルの中心を通る方向の角度である。

【0065】

図４は、参考例に係るエリア最適化制御アルゴリズムの一例を示すフローチャートである（前述の特許文献１参照）。図４において、エリア最適化制御は、ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）と、逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）と、実環境への最適化パラメータを適用するパラメータ適用ステップ（Ｓ１３０）とを含む。

【0066】

ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）では、何らかの方法でサービスエリア２０Ａ内の各ＵＥ６１の位置が推定され、その推定結果（例えば、各ＵＥ６１の位置の座標データ）が出力される。各ＵＥ６１の位置は、例えば、各ＵＥ６１からフィードバックされるＧＮＳＳの位置情報又はＭＲ（測定報告）を用いて推定することができる。

【0067】

次に、逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）では、ＵＥ位置推定ステップ（Ｓ１１０）で出力された各ＵＥ６１の位置の推定結果（例えば、各ＵＥ６１の位置の座標データ）が入力され、サブエリアごとに最適化される各セルのアンテナパラメータの最適値が出力される。例えば、Ｎ個のセルが形成されるサービスエリア２０ＡをＭ個のサブエリアに分割し、以下の手順で各サブエリアを順番に最適化する。

【0068】

まず、例えば、サブエリア間の相互依存性が低くなるようにサービスエリア２０Ａを複数（Ｍ個）のサブエリアに分割する（Ｓ１２１）。次に、例えば、目的関数への寄与度ｘ_ｉに応じてサブエリアそれぞれの粒度をｆ（ｘ_ｉ）に設定する（Ｓ１２２）。次に、上記決定した粒度をｆ（ｘ_ｉ）の設定に基づき、所定の複数個のアンテナパラメータを遺伝的アルゴリズム等により最適化する（Ｓ１２３）。次に、サービスエリア２０Ａの全体のアンテナパラメータの値が、上記最適化されたパラメータの値でアップデートされる（Ｓ１２３）。なお、すべてのサブエリアについての上記Ｓ１２１～Ｓ１２３の処理はＴ回（Ｔ≧１）繰り返してもよい。

【0069】

パラメータ適用ステップ（Ｓ１３０）では、上記逐次エリア最適化ステップ（Ｓ１２０）が完了した後のサービスエリア２０Ａ内の各セルのアンテナパラメータの更新最終値が、実環境の中継通信局１１０におけるＳＬアンテナ１１１の制御設定値として適用される。

【0070】

なお、図４に例示したエリア最適化制御は定期的（例えば、１時間ごと又は２時間後ごとの周期的なタイミング）に実行してもよいし、又は、サービスエリア２０Ａ内のＵＥ分布に大きな変化が生じるたびに（例えば、所定の監視エリア内のＵＥ数の変化量が所定の閾値を超えたタイミングに）実行してもよい。

【0071】

上記エリア最適化制御を実行することにより、ＨＡＰＳ（上空プラットフォーム）１０が地上に向けて形成する複数のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）で構成されるサービスエリア２０Ａの全体で所望の通信品質（例えば、スループット）を得ることができる。

【0072】

しかしながら、上記エリア最適化制御では人口分布（又は、ユーザ分布、ＵＥ分布等）の取得や最適化計算処理に数分～数十分の時間がかかるため、ＨＡＰＳ（上空プラットフォーム）１０の機体１００が定点で滞空している場合には適用できるが、機体１００の高速移動、旋回又は姿勢変化により機体１００から見たユーザ分布（又はＵＥ分布）が移動又は回転する場合には分布の変化に対してエリア最適化制御が間に合わないおそれがある。

【0073】

本実施形態では、ＦＰ（フットプリント）固定制御により機体１００の旋回によるセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）の移動を補償するとともに、エリア最適化制御により各セル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）のビームに対して補正を行っている。特に、本実施形態では、高頻度に制御可能なＦＰ（フットプリント）固定制御を用いることで機体１００の旋回によるセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）の移動を補償し、低頻度に制御を行うエリア最適化制御を用いて各セルのビームに対して補正を行うことで、機体１００が高速移動、旋回又は姿勢変化が発生する環境下でも、アンテナパラメータの最適化によるビーム最適化を実現している。これにより、ＨＡＰＳ（上空プラットフォーム）１０の機体１００の高速移動、旋回又は姿勢変化が発生する環境下でも、サービスエリア２０Ａのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができる。

【0074】

すなわち、表１に示すように、エリア最適化制御では、ユーザ（ＵＥ）分布の変化には対応できるが、ＨＡＰＳ１０の機体１００の高速移動、旋回及び姿勢変化には対応できない。一方、ＦＰ固定制御では、ＨＡＰＳ１０の機体１００の高速移動、旋回及び姿勢変化には対応できるが、ユーザ（ＵＥ）分布の変化には対応できない。そこで、本実施形態では、エリア最適化制御とＦＰ固定制御とを組み合わせることにより、ＨＡＰＳ１０の機体１００の高速移動、旋回及び姿勢変化とユーザ（ＵＥ）分布の変化の両方に対応できる。

【表1】

【0075】

図５（ａ）及び図５（ｂ）はそれぞれ、７個のセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）で構成されるサービスエリア２０ＡにおいてＦＰ固定制御を適用する前及びＦＰ固定制御を適用した後のセルの配置の一例を示す説明図である。図示の例では、ＨＡＰＳ１０の回転運動（ヨー回転の旋回）及び並進運動によるセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）のフットプリント２０Ｆ（１）～２０Ｆ（７）の移動の例である。

【0076】

ＨＡＰＳ１０は、成層圏などの空中での気流や気圧などの影響により、機体１００が高速移動（並進運動）、旋回（回転運動）又は姿勢変化するおそれがある。そのため、図５（ａ）に示すように複数セル構成では地上（又は海上等）に形成されるセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）のフットプリント２０Ｆ（１）～２０Ｆ（７）が移動することでサービスエリア２０Ａ内のセル境界部に位置する多数のＵＥ（端末装置）が一斉にハンドオーバ（ＨＯ）することが想定され、ＨＯによる制御信号の増加やＨＯ失敗による通信断が発生するおそれがある。また、ＨＯのみならずＵＥでの受信電力の低下（カバーエリアから外れる）の影響も考えられる。

【0077】

そこで、本実施形態のＦＰ固定制御では、上記機体の高速移動、旋回又は姿勢変化によるＨＯの頻発や受信電力の低下に対する対策として、図５（ｂ）に示すようにＨＡＰＳ１０の機体１００が高速移動、旋回又は姿勢変化しても地上（又は海上等）におけるフットプリント２０Ｆ（１）～２０Ｆ（７）が移動しないように制御する。例えば、ＳＬアンテナ１１１として複数のアンテナ素子を有するデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）制御可能なアレイアンテナを用い、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢（例えば、所定方位に対する姿勢）の少なくとも一方の情報に基づいてＳＬアンテナ１１１の各アンテナ素子で送受信される信号に適用するアンテナウェイトを調整することにより、各アンテナ素子で送受信される信号の振幅及び位相を制御する。また、ＳＬアンテナ１１１として所定の指向性特性を有するアンテナを用い、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢（例えば、所定方位に対する姿勢）の少なくとも一方の情報に基づいてＳＬアンテナ１１１の指向性方向を調整するようにＳＬアンテナ１１１を機械的に制御する。

【0078】

図６は、本実施形態に係る制御システムにおけるエリア最適化制御とＦＰ固定制御との組み合わせの一例を説明図である。図６において、高頻度に（又は、常に連続して）実行するＦＰ固定制御Ｓ２２０でサービスエリア２０Ａの各セルに向けてビームを固定しておき、ＦＰ固定制御よりも低頻度でエリア最適化制御Ｓ２１０を実行し、記憶装置（記憶部）１１５、９５０でアンテナパラメータ等の制御パラメータの値を共有することで、エリア最適化制御及びＦＰ固定制御の２つの制御を両立させている。

【0079】

記憶装置１１５、９５０は、例えば、メモリ、又は、ビームフォーミング制御を行うＢＦ基板等の制御基板上のレジスタで構成され、中継通信局１１０又は遠隔制御装置９５に設けられる。例えば、エリア最適化制御及びＦＰ固定制御を実行する制御装置（制御部）が上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０に設けられる場合は、中継通信局１１０に記憶装置１１５が設けられる。また、エリア最適化制御及びＦＰ固定制御を実行する制御装置（制御部）が遠隔制御装置９５に設けられる場合は、遠隔制御装置９５に記憶装置９５０が設けられる。

【0080】

記憶装置１１５、９５０には、例えば、表２に示す機体１００の位置情報の初期値（デフォルト値）、アンテナパラメータの初期値（デフォルト値）、エリア最適化制御後のアンテナパラメータの最適値のオフセット値等の情報が記憶される。表２の例において、機体１００の位置情報は機体１００の高度（ｈ_ｄｅｆ）、緯度（ｘ_{ｄｅｆ，ｉ}）及び経度（ｙ_{ｄｅｆ，ｉ}）の情報である。アンテナパラメータの初期値は、複数のセル２０Ｃ（ｉ）のそれぞれに対応する、水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅の初期値（φ_{ｄｅｆ＿ｓｔｒ，ｉ}、φ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}、θ_{ｄｅｆ＿ｓｔｒ，ｉ}、θ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}）である。アンテナパラメータの最適値のオフセット値は、アンテナパラメータの初期値からの変化量であり、複数のセル２０Ｃ（ｉ）のそれぞれに対応する、水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）である。ｉ（＝１～７）はセルＩＤ（セル識別番号）である。

【表2】

【0081】

なお、アンテナパラメータの最適値のオフセット値の代わりに、エリア最適化制御後のアンテナパラメータの最適値そのものを記憶してもよい。また、記憶装置１１５、９５０には、ＦＰ固定制御Ｓ２２０で用いられる設定情報として、ＳＬアンテナ１１１の素子パターンを考慮したアレイファクタ（固定パラメータ）の値も記憶されている。

【0082】

図７は、実施形態に係る通信中継装置（ＨＡＰＳ）１０のヨー回転を考慮した場合のエリア最適化制御とＦＰ固定制御との組み合わせによるセルの配置及びサイズの変化の一例を示す説明図である。図７中の黒丸はユーザ分布（ＵＥ分布）を示している。

【0083】

図７のエリア最適化制御Ｓ３１０，Ｓ３２０では、サービスエリア２０Ａのユーザ分布（ＵＥ分布）を考慮したアンテナパラメータの最適化制御により、複数のセル２０Ｃ（ｉ）のそれぞれに対するビームの幅を調整するとともに、当該ビームを所定の水平ビーム方向のオフセット値Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}度だけ回転させるように制御する。

【0084】

図７のＦＰ固定制御Ｓ３３０，Ｓ３４０では、複数のセル２０Ｃ（ｉ）のそれぞれに対するビームを所定の角度φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}度だけ回転させるように制御することにより、機体１００の回転を打ち消す。

【0085】

図７のエリア最適化制御とＦＰ固定制御との組み合わせ制御Ｓ３５０では、複数のセル２０Ｃ（ｉ）のそれぞれに対するビームを所定の角度φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}＋Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}度だけ回転させるように制御することにより、サービスエリア２０Ａのユーザ分布（ＵＥ分布）を考慮したエリア最適化とＦＰ固定を同時に実施することができる。

【0086】

図８は、実施形態に係るエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を含む全体制御の一例を示すフローチャートである。図８は、ＦＰ固定制御Ｓ２２０においてＳＬアンテナ１１１が形成するビームの方向を制御するビームフォーミング制御（デジタル制御）を用いる例を示している。なお、図８の制御は、中継通信局１１０又は遠隔制御装置９５に設けられたエリア最適化制御部及びＦＰ固定制御部として機能する制御装置（制御部）で実行される。この制御装置は、後述の図１２及び図１３の装置構成例における遠隔制御装置９５に設けられたＦＰ固定制御装置９５１及びエリア最適化制御装置９５２に対応し、並びに、図１４の装置構成例における中継通信局１１０に設けられたＦＰ固定制御装置１１６及びエリア最適化制御装置１１７に対応する。なお、以下の図８～図１１の説明では、これらの制御を行う装置を区別せずに「制御装置」と記載する。

【0087】

図８において、本実施形態に係る全体制御は、記憶装置１１５、９５０を介してアンテナパラメータを共有する、低頻度に実行するエリア最適化制御Ｓ２１０と、高頻度に（又は、常に連続して）実行するＦＰ固定制御Ｓ２２０とを含む。エリア最適化制御Ｓ２１０では、基地局装置８０等から取得した複数のＵＥ６１の位置の情報に基づいてサービスエリア２０Ａにおける複数のＵＥ６１の分布に対応させて各セル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）を形成するようにＳＬアンテナ１１１のアンテナパラメータを最適化する。ＦＰ固定制御Ｓ２２０では、ＨＡＰＳ１０に搭載されたセンサ（例えばジャイロセンサ）等から取得した機体１００の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、サービスエリア２０Ａにおけるセル２０Ｃ（１）～２０Ｃ（７）のフットプリント２０Ｆ（１）～２０Ｆ（７）の位置を固定するようにＳＬアンテナ１１１が形成するビームの方向を制御する。

【0088】

図９は、図８の全体制御におけるＦＰ固定制御Ｓ２２０の内部処理の一例を示すフローチャートである。ＦＰ固定制御Ｓ２２０では、まず、制御装置は、ＨＡＰＳ１０に搭載されたセンサ（例えばジャイロセンサ）等から機体１００の位置及び姿勢の情報を取得する（Ｓ２２１）。機体１００の位置情報は、例えば予め定義された直交座標系における初期の位置を基準にした（原点とした）機体１００の座標（ｘ，ｙ，ｚ）である。機体１００の姿勢情報は、初期の姿勢の移動方向を基準にした機体のヨー角ｙ、ピッチ角ｐ及びロール角ｒである。

【0089】

次に、制御装置は、直近のエリア最適化制御による最適化が完了した後のアンテナパラメータの最適値のオフセット値を、記憶装置１１５、９５０から読み出す（Ｓ２２２）。例えば、制御装置は、前述の表２に例示する各セル２０Ｃ（ｉ）に対応する水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）を、記憶装置１１５、９５０から読み出す。記憶装置１１５、９５０から読み出す情報は、前述の表２に例示する機体１００の位置情報の初期値と、アンテナパラメータの初期値とを含んでもよい。

【0090】

次に、制御装置は、機体１００の位置及び姿勢に応じたセル２０Ｃ（ｉ）に対するビームのステアリング方向（水平ビーム方向：φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}及び垂直ビーム方向：θ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}）を計算する（Ｓ２２３）。

【0091】

次に、制御装置は、記憶装置１１５、９５０から読み出したエリア最適化制御後の水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅のオフセット値を加算する（Ｓ２２４）。例えば、制御装置は、上記ステアリング方向の計算値（水平ビーム方向：φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}及び垂直ビーム方向：θ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}）に、エリア最適化制御後の水平ビーム方向及び垂直ビーム方向のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）を加算し、ＦＰ固定制御に用いる所望の水平ビーム方向及び垂直ビーム方向の目標値（φ_{ｓｔｒ，ｉ}＝φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}＋Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、θ_{ｓｔｒ，ｉ}＝θ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}＋Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）を得る。また、上記ビーム幅の初期値（水平ビーム幅：φ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}及び垂直ビーム幅：θ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}）に、エリア最適化制御後の水平ビーム幅及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）を加算し、ＦＰ固定制御に用いる所望の水平ビーム幅及び垂直ビーム幅の目標値（φ_{３ｄＢ，ｉ}＝φ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}＋Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、θ_{３ｄＢ，ｉ}＝θ_{ｄｅｆ＿３ｄＢ，ｉ}＋Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）を得る。

【0092】

次に、制御装置は、上記ＦＰ固定制御に用いる所望の水平ビーム方向及び垂直ビームの目標値（φ_{ｓｔｒ，ｉ}、θ_{ｓｔｒ，ｉ}）並びに所望の水平ビーム幅及び垂直ビーム幅の目標値（φ_{３ｄＢ，ｉ}、θ_{３ｄＢ，ｉ}）を考慮し、ＳＬアンテナ１１１のアンテナ素子毎のアンテナウェイトを計算する（Ｓ２２５）。このアンテナウェイトの計算には、記憶装置１１５、９５０９５０から読み出したＳＬアンテナ１１１の素子パターンを考慮したアレイファクタ（固定パラメータ）が用いられる。

【0093】

次に、制御装置は、ＳＬアンテナ１１１のアンテナ素子毎に計算したアンテナウェイトを、実環境の中継通信局１１０におけるＳＬアンテナ１１１のビームフォーミング制御の設定値として適用する。

【0094】

制御装置は、上記ＦＰ固定制御（Ｓ２２１～Ｓ２２６）を、後述のエリア最適化制御（Ｓ２１１～Ｓ２１３）の実行間隔よりも短い時間間隔で繰り返し実行する。

【0095】

図１０は、図８の全体制御におけるエリア最適化制御Ｓ２１０の内部処理の一例を示すフローチャートである。図１０のエリア最適化制御Ｓ２１０では、まず、制御装置は、基地局装置８０等から、サービスエリア２０Ａに在圏する複数のＵＥ６１の位置の情報（端末位置情報）を取得又は推定する（Ｓ２１１）。

【0096】

次に、制御装置は、基地局装置８０等から取得又は推定した複数のＵＥ６１の位置の情報（端末位置情報）に基づいて、エリア最適化によるビームの最適化計算を実行する（Ｓ２１２）。ビームの最適化計算では、例えば、サービスエリア２０Ａのユーザ分布（ＵＥ分布）を考慮したアンテナパラメータの最適化制御により、各セル２０Ｃ（ｉ）に対応する水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）を計算する。

【0097】

次に、制御装置は、アンテナパラメータの最適値として、上記ビーム最適化計算の計算結果を記憶装置１１５、９５０に書き込んで保存する（Ｓ２１３）。例えば、制御装置は、前述の表２に例示する各セル２０Ｃ（ｉ）に対応する水平ビーム方向、水平ビーム幅、垂直ビーム方向及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）の計算結果を、記憶装置１１５、９５０に書き込んで保存する。

【0098】

ここで、前回のビーム最適化計算の計算結果（例えば、アンテナパラメータのオフセット値）が記憶装置１１５、９５０に保存済みの場合は、上記新たに計算されたビーム最適化計算の計算結果（例えば、アンテナパラメータのオフセット値）で更新される。また、上記計算結果の書き込み時にエラーが発生した場合は書き込みを行わず、記憶装置１１５、９５０に保存済みの値を更新しない。また、記憶装置１１５、９５０に書き込まれるビーム最適化計算の計算結果（例えば、アンテナパラメータのオフセット値）は、その変化量が一定以上にならないよう徐々に変化させてもよい。

【0099】

制御装置は、上記エリア最適化制御（Ｓ２１１～Ｓ２１３）を、前述のＦＰ固定制御（Ｓ２２１～Ｓ２２６）の実行間隔よりも長い時間間隔で繰り返し実行する。

【0100】

図１１は、実施形態に係るエリア最適化制御及びＦＰ固定制御を含む全体制御の他の例を示すフローチャートである。図１１は、ＦＰ固定制御Ｓ２２０においてＳＬアンテナ１１１の指向性方向を機械的に制御する例を示している。なお、図１１において、前述の図８～図１０と共通する部分については同じ符号を付し、説明を省略する。

【0101】

図１１のエリア最適化制御Ｓ２１０において、制御装置は、サービスエリア２０Ａのユーザ分布（ＵＥ分布）を考慮したアンテナパラメータの最適化制御により、各セル２０Ｃ（ｉ）に対応する水平ビーム方向及び垂直ビーム方向のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）を計算する（Ｓ２１２'）。制御装置は、アンテナパラメータの最適値として、上記水平ビーム方向及び垂直ビーム方向のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）の計算結果を、記憶装置１１５に書き込んで保存する（Ｓ２１３'）。本制御例の記憶装置１１５は、例えば、上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０に設けられたメモリ、又は、制御基板上のレジスタである。また、本制御例では、水平ビーム幅及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）の計算及び保存は不要である。

【0102】

図１１のＦＰ固定制御Ｓ２２０において、制御装置は、各セル２０Ｃ（ｉ）に対応する水平ビーム方向及び垂直ビーム方向のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）を、記憶装置１１５から読み出す（Ｓ２２２'）。また、制御装置は、記憶装置１１５から読み出したエリア最適化制御後の水平ビーム方向及び垂直ビーム方向のオフセット値を、上記ステアリング方向の計算値（水平ビーム方向：φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}及び垂直ビーム方向：θ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}）に加算し、ＦＰ固定制御に用いる所望の水平ビーム方向及び垂直ビーム方向の目標値（φ_{ｓｔｒ，ｉ}＝φ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}＋Δφ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}、θ_{ｓｔｒ，ｉ}＝θ_{ｆｐ＿ｓｔｒ，ｉ}＋Δθ_{ｄｃ＿ｓｔｒ，ｉ}）を得る（Ｓ２２４'）。また、制御装置は、水平ビーム方向及び垂直ビーム方向の目標値（φ_{ｓｔｒ，ｉ}、θ_{ｓｔｒ，ｉ}）の計算結果を、実環境の中継通信局１１０におけるＳＬアンテナ１１１の指向性方向の機械的な制御の設定値として適用する（Ｓ２２５'）。本制御例では、水平ビーム幅及び垂直ビーム幅のオフセット値（Δφ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}、Δθ_{ｄｃ＿３ｄＢ，ｉ}）の読み出しは不要であり、水平ビーム幅及び垂直ビーム幅の目標値（φ_{３ｄＢ，ｉ}、θ_{３ｄＢ，ｉ}）の計算及び実環境への適用も不要である。

【0103】

図１２は、本実施形態に係る制御システムの装置構成の一例を示す説明図である。図１２の制御システムは、ＦＰ固定制御及びエリア最適化制御を実行可能な遠隔制御装置９５を備える通信システムに適用可能な装置構成である。

【0104】

図１２において、地上（又は海上）に設けられた遠隔制御装置９５は、記憶装置（記憶部）９５０とＦＰ固定制御装置（フットプリント固定制御部）９５１とエリア最適化制御装置（エリア最適化制御部）９５２とを備える。記憶装置９５０は、前述のアンテナパラメータのオフセット値などを記憶する。ＦＰ固定制御装置９５１は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより前述のＦＰ固定制御を実行する。エリア最適化制御装置９５２は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより前述のエリア最適化制御を実行する。ＦＰ固定制御装置９５１で計算されたアンテナ素子毎のアンテナウェイトは、ＧＷ局７０の無線中継装置７１において、上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０との間で送受信される信号に適用される。

【0105】

上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０はリピータ型の中継通信局である。中継通信局１１０の無線中継装置（無線送受信装置）１１３は、ＧＷ局７０の無線中継装置７１から受信した上記アンテナ素子毎のアンテナウェイトが適用された信号を、ＳＬアンテナ１１１の各アンテナ素子に送信する。また、無線中継装置１１３は、ＳＬアンテナ１１１の各アンテナ素子から受信した信号を、ＧＷ局７０の無線中継装置７１に送信する。

【0106】

図１３は、実施形態に係る制御システムの装置構成の他の例を示す説明図である。図１３の制御システムは、ＦＰ固定制御及びエリア最適化制御を実行可能な遠隔制御装置９５を備える通信システムに適用可能な装置構成である。なお、図１３において、前述の図１２と共通する部分については同じ符号を付し、その部分についての説明は省略する。また、なお、図１３において、ＧＷ局７０と上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０との間のユーザデータのフィーダリンク通信については省略する。

【0107】

図１３において、ＦＰ固定制御装置９５１で計算されたアンテナ素子毎のアンテナウェイトは、ＧＷ局７０の無線中継装置７１を介して上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０に送信される。上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は基地局装置１１４を有する基地局型の中継通信局である。中継通信局１１０の無線中継装置１１３は、ＧＷ局７０の無線中継装置７１から送信された上記アンテナ素子毎のアンテナウェイトを受信する。無線中継装置１１３は、ＳＬアンテナ１１１の各アンテナ素子で受信されて基地局装置１１４に送られる受信信号にアンテナウェイトを適用し、基地局装置１１４で生成されてＳＬアンテナ１１１の各アンテナ素子に送られる送信信号にアンテナウェイトを適用する。

【0108】

図１４は、実施形態に係る制御システムの装置構成の更に他の例を示す説明図である。なお、図１４において、ＧＷ局７０と上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０との間のバックホール回線のフィーダリンク通信については省略する。

【0109】

図１４において、上空のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０は、基地局装置１１４と記憶装置（記憶部）１１５とＦＰ固定制御装置（フットプリント固定制御部）１１６とエリア最適化制御装置（エリア最適化制御部）１１７とを備える。記憶装置１１５は、前述のアンテナパラメータのオフセット値などを記憶する。ＦＰ固定制御装置１１６は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより前述のＦＰ固定制御を実行する。エリア最適化制御装置１１７は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより前述のエリア最適化制御を実行する。ＦＰ固定制御装置１１６で計算されたアンテナ素子毎のアンテナウェイトは、基地局装置１１４とＳＬアンテナ１１１との間で送受信される信号に適用される。

【0110】

以上、本実施形態によれば、上空中継型の通信中継装置であるＨＡＰＳ１０の機体１００の高速移動、旋回又は姿勢変化が発生する環境下でも、サービスエリア２０Ａのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができる。

【0111】

また、本発明は、高度２０ｋｍ程度の成層圏などから地上の端末装置に超広域の移動通信サービスを提供することができる大規模災害等を用途とした新たな通信プラットフォームを構築できるため、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。

【0112】

なお、本明細書で説明された処理工程並びにＨＡＰＳ等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。

【0113】

ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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】

【0117】

１０ ：ＨＡＰＳ（上空中継型の通信中継装置）
２０Ａ ：サービスエリア
２０Ｃ ：セル
２０Ｆ ：フットプリント
６１ ：ＵＥ（端末装置）
７０ ：ＧＷ局
７１ ：無線中継装置
８０ ：基地局装置
９０ ：移動通信網（コアネットワーク）
９５ ：遠隔制御装置
１００ ：機体
１１０ ：中継通信局
１１１ ：サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
１１２ ：フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
１１３ ：無線中継装置
１１４ ：基地局装置
１１５ ：記憶装置
１１６ ：ＦＰ固定制御装置
１１７ ：エリア最適化制御装置
９５０ ：記憶装置
９５１ ：ＦＰ固定制御装置
９５２ ：エリア最適化制御装置

【要約】

【課題】機体の高速移動や姿勢変化が発生する環境下でも、サービスエリアのカバレッジ及び通信容量の最大化を図ることができる上空中継型の通信中継装置を提供する。
【解決手段】通信中継装置は、上空に位置する機体に設けられた中継通信局のサービスリンク用アンテナを介して地上又は海上のサービスエリアに向けて一又は複数のセルを形成し、前記セルに在圏する複数の端末装置と無線通信する。通信中継装置は、複数の端末装置の位置の情報に基づいて、サービスエリアにおける複数の端末装置の分布に対応させて前記セルを形成するように、サービスリンク用アンテナのアンテナパラメータを最適化し、機体の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、サービスエリアにおけるセルのフットプリントの位置を固定するように、アンテナが形成するビームの方向又はアンテナの主指向性方向を制御する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

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【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

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【図14】