JP7408038B2 - Ｈａｐｓの移動及び旋回を考慮した特定チャネルに限定したフットプリント固定制御 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＡＰＳ等の上空滞在型の通信中継装置におけるサービスリンクのセルのフットプリントの固定制御に関するものである。

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知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＨＡＰＳ等の上空滞在型の通信中継装置と、その上空滞在型の通信中継装置で形成されるセル内に位置する複数の端末装置（以下「ＵＥ」ともいう。）との間の通信として、ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（以下「ｍＭＩＭＯ」ともいう。）伝送方式の通信が知られている。ｍＭＩＭＯは、多数のアンテナ素子を有するアレーアンテナを用いてデータ送受信を行うことにより大容量・高速通信を実現する無線伝送技術であり、各ＵＥの通信環境に応じてＵＥごとに適切なビームを向けて通信できるため、セル全体の通信品質を改善できる。

上記ＵＥごとにビームを向けて通信するｍＭＩＭＯ伝送方式の通信を行う場合であっても、基地局からセル内に向けて周期的に送信される同期信号（ＳＳ）や主要無線パラメータを通知する報知チャネル（ＰＢＣＨ）の信号等のセル接続開始に必要な制御関連信号はセル内のすべてのＵＥに届く必要がある。そのため、第５世代の移動通信システムでは、ＳＳ及びＰＢＣＨのブロック（以下「ＳＳＢ」という。）を一単位として定義し、セルを構成する複数のエリア部分に対して互いに異なる複数のビーム（以下「ＳＳＢビーム」ともいう。）を切り替えながら、ＳＳＢビームを介してＳＳ及びＰＢＣＨ等の制御関連信号を各ＵＥに送信する（Ｂｅａｍ Ｓｗｅｅｐｉｎｇ）技術が採用されている（非特許文献１，非特許文献２参照）。

米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書

武田 和晃，その他５名，"５Ｇにおける物理レイヤ要素技術と高周波数帯域利用に関する検討状況"，ＮＴＴ ＤＯＣＯＭＯ テクニカル・ジャーナル，Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．３（Ｏｃｔ． ２０１７） Ｒ．Ｍａｎｏｈａｒａｎ，"５Ｇ ＮＲ Ｂｅａｍ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｂｅａｍ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ （ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｅａｍｓ）"，［ｏｎｌｉｎｅ］，２０１８年７月１２日，Ｌｉｎｋｅｄ ｉｎ，［２０２１年１月２１日検索］，インターネット<https://www.linkedin.com/pulse/5g-nr-beam-management-scheduling-everything-beams-ramalingam＞

上記ＨＡＰＳなどの上空滞在型の通信中継装置では、その通信中継装置が位置している成層圏等での気流や気圧などの影響により姿勢や位置が変動するため、地上（又は海上）に形成されるセルのＳＳＢビームのフットプリントが移動・変形する。例えば、通信中継装置（ＨＡＰＳ）の機体がヨー回転すると、セル（サービスエリア）内の多数の端末装置がＢＦＲ（Ｂｅａｍ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）による接続復帰動作を行うことが想定され（非特許文献２参照）、このＢＦＲによる制御信号の増加が課題となる。また、通信中継装置（ＨＡＰＳ）の機体がロール回転したりピッチ回転したりした場合も、セル（サービスエリア）内の多数の端末装置が上記ＢＦＲによる接続復帰動作を行うことが想定され（非特許文献２参照）、このＢＦＲによる制御信号の増加が課題となる。更に、この場合は、多くの端末装置がサービスエリア外となることが想定され、通信の断絶が課題となる。

また、第５世代等の次世代の移動通信システムにおいて広帯域化がますます加速している。このような広帯域化された周波数帯域の全域に対して上記セルのフットプリントの固定のためのビームの制御を行おうとする場合、基地局処理装置における回路規模及び消費電力が増大するという課題がある。

本発明の第１の態様に係る通信中継装置は、端末装置と無線通信する上空滞在型の通信中継装置である。この通信中継装置は、前記端末装置と間で無線通信が可能なサービスリンクのセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、前記アレーアンテナを介して送信される下りリンクの送信信号に対して周波数領域のビームフォーミングのためのプリコーディングを適用する処理を含むベースバンド処理を行う基地局処理部と、を備える。前記基地局処理部は、前記サービスリンクに用いられる下りリンクの無線リソースのうち、前記セルに対して形成される単一又は複数の制御用ビームを介して通信を行う制御通信用の無線リソース部分について、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記制御用ビームに対応するフットプリントの位置を固定するように前記周波数領域のビームフォーミングのためのプリコーディングを行うフットプリント固定制御を実行し、前記制御通信用の無線リソース部分以外の下りリンクの無線リソース部分については、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づくフットプリント固定制御を実行しない。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記基地局処理部は、前記制御通信用の無線リソース部分以外の下りリンクの無線リソース部分のうち、前記セルに在圏する複数の端末装置のそれぞれとの間で個別ビームを介して下りリンクの通信を行う個別通信用の無線リソース部分について、前記端末装置ごとに周波数領域の個別通信用ビームフォーミングのためのプリコーディングを行ってもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記下りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、同期信号（ＳＳ）及び報知チャネル（ＰＢＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分を含んでもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記下りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理下りリンク制御チャネル（ＰＤＣＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分と、前記端末装置から前記セルへの初期アクセス完了前の物理下りリンク共有チャネル（ＰＤＳＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分とを含んでもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記フットプリント固定制御では、前記制御通信用の無線リソース部分の帯域に限定して、前記送信信号に対して周波数領域のビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを適用するデジタルビームフォーミング制御を行ってもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記フットプリント固定制御では、事前に設定した目標点に対して前記制御用ビームのメインビームが向くように、前記制御通信用の無線リソース部分で送信される変調シンボルの位相及び振幅が制御されてもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記ビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトは、前記アレーアンテナの形状の情報と、前記通信中継装置の位置及び姿勢の情報とに基づいて算出されてもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、サービスエリアの位置を基準にした前記通信中継装置の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけて、前記ビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを予め計算して保存し、前記保存している複数組の位置及び姿勢それぞれに対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトから、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢に対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを選択してもよい。

前記第１の態様に係る通信中継装置において、前記基地局処理部のベースバンド処理は、前記アレーアンテナを介して受信された受信信号に対して周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを適用する処理を含み、前記基地局処理部は、前記サービスリンクに用いられる上りリンクの無線リソースのうち、前記セルに対して形成される単一又は複数の制御用ビームを介して上りリンクの通信を行う制御通信用の無線リソース部分について、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記制御用ビームに対応するフットプリントの位置を固定するように前記周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを行うフットプリント固定制御を実行し、前記制御通信用の無線リソース部分以外の上りリンクの無線リソース部分については、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づくフットプリント固定制御を実行しなくてもよい。

本発明の第２の態様に係る通信中継装置は、端末装置と無線通信する上空滞在型の通信中継装置である。この通信中継装置は、前記端末装置と間で無線通信が可能なサービスリンクのセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、前記アレーアンテナを介して受信された上りリンクの受信信号に対して周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを適用する処理を含むベースバンド処理を行う基地局処理部と、を備える。前記基地局処理部は、前記サービスリンクに用いられる上りリンクの無線リソースのうち、前記セルに対して形成される単一又は複数の制御用ビームを介して上りリンクの通信を行う制御通信用の無線リソース部分について、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記制御用ビームに対応するフットプリントの位置を固定するように前記周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを行うフットプリント固定制御を実行し、前記制御通信用の無線リソース部分以外の上りリンクの無線リソース部分については、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づくフットプリント固定制御を実行しない。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記基地局処理部は、前記制御通信用の無線リソース部分以外の上りリンクの無線リソース部分のうち、前記セルに在圏する複数の端末装置のそれぞれとの間で個別ビームを介して上りリンクの通信を行う個別通信用の無線リソース部分について、前記端末装置ごとに周波数領域の個別通信用ビームフォーミングのためのポストコーディングを行ってもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記上りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理ランダムアクセスチャネル（ＰＲＡＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分を含んでもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記上りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理上りリンク制御チャネル（ＰＵＣＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分と、前記端末装置から前記セルへの初期アクセス完了前の物理上りリンク共有チャネル（ＰＵＳＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分と、を含んでもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記フットプリント固定制御では、前記制御通信用の無線リソース部分の帯域に限定して、前記受信信号に対して周波数領域のビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを適用するデジタルビームフォーミング制御を行ってもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記フットプリント固定制御では、事前に設定した目標点に対して前記制御用ビームのメインビームが向くように、前記制御通信用の無線リソース部分で受信された変調シンボルの位相及び振幅が制御されてもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、前記ビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトは、前記アレーアンテナの形状の情報と、前記通信中継装置の位置及び姿勢の情報とに基づいて算出されてもよい。

前記上りリンクのフットプリント固定制御を実行する第１の態様に係る通信中継装置及び第２の態様に係る通信中継装置において、サービスエリアの位置を基準にした前記通信中継装置の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけて、前記ビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを予め計算して保存し、前記保存している複数組の位置及び姿勢それぞれに対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトから、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢に対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを選択してもよい。

本発明によれば、上空滞在型の通信中継装置の移動及び姿勢変化があっても、サービスエリアを構成するセル内で制御チャネルなどに割り当てられる特定の無線リソース部分が用いられる制御用ビームのフットプリントの移動及び変形が抑制され、セル内の端末装置との間の制御信号の増加及び通信の断絶を抑制できるとともに、基地局処理部の回路規模及び消費電力の低減を図ることができる。

実施形態に係るＨＡＰＳを含む通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態のＨＡＰＳの一例を示す斜視図。 実施形態のＨＡＰＳの他の例を示す側面図。 実施形態のＨＡＰＳのサービスリンクのアレーアンテナの一例を示す斜視図。 実施形態のＨＡＰＳのサービスリンクのアレーアンテナの他の例を示す斜視図。 ＨＡＰＳのアレーアンテナを用いたｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯにおけるビームフォーミングの一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳのサービスリンクのセルに形成される複数のＳＳＢビームの一例を示す説明図。 図７の複数のＳＳＢビームの時間軸上における切り替えの一例を示す説明図。 下りリンクの無線リソースにおけるＳＳＢビームに関連する物理チャネルの配置の一例を示す説明図。 上りリンクの無線リソースにおけるＳＳＢビームに関連する物理チャネルの配置の一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳのヨー回転前の状態の一例を示す説明図。 比較参考例に係るＨＡＰＳのヨー回転によるＳＳＢビームのフットプリントの変化の一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳのロール回転前の状態の一例を示す説明図。 比較参考例に係るＨＡＰＳのロール回転によるＳＳＢビームのフットプリントの変化の一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳにおけるフットプリント固定制御対象のＳＳＢビーム関連チャネルとフットプリント固定制御対象外の各ＵＥの初期アクセル後の共有チャネルの時間軸上の切り替えの一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳのヨー回転時におけるＳＳＢビームのフットプリント固定制御の効果一例を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳのロール回転時におけるＳＳＢビームのフットプリント固定制御の効果一例を示す説明図。 ＨＡＰＳの位置を基準にした座標系における方位角及び仰角の定義を示す説明図。 実施形態のＨＡＰＳの中継通信局の主要構成の一例を示すブロック図。 図１９の中継通信局の基地局処理部における下りリンク（ＤＬ）送信部の主要構成の一例を示すブロック図。 図１９の中継通信局の基地局処理部における上りリンク（ＵＬ）受信部の主要構成の一例を示すブロック図。

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ｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（以下「ｍＭＩＭＯ」ともいう。）の無線通信を行う上空滞在型の通信中継装置（ＨＡＰＳ）を備え、機体の移動及び姿勢変化があっても、サービスエリアを構成するセル内で制御チャネルを含むＳＳＢなどに割り当てられる特定の無線リソース部分が用いられるＳＳＢビーム（制御用ビーム）のフットプリントの移動及び変形が抑制され、セル内のＵＥとの間の制御信号の増加及び通信の断絶を抑制できるとともに、基地局処理部の回路規模及び消費電力の低減を図ることができる通信システム（ＨＡＰＳシステム）である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代等の次世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。

図１は、実施形態に係るＨＡＰＳ（上空滞在型の通信中継装置）を含む通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図１において、本実施形態の通信システム（以下「ＨＡＰＳシステム」ともいう。）は、上空滞在型の通信中継装置（無線中継装置）としての高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）、（「高高度疑似衛星」、「成層圏プラットフォーム」ともいう。）１０を備えている。ＨＡＰＳ１０は、所定高度の空域に位置して３次元セル１００Ｃを形成する。ＨＡＰＳ１０は、自律制御又は外部からの制御により地面又は海面から所定高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船、ドローン、気球）に、中継通信局が搭載されたものである。なお、上空滞在型の通信中継装置は、人工衛星に中継通信局が搭載されたものであってもよい。また、本実施形態の通信システムは、ＨＡＰＳ１０が通信する一又は複数の端末装置を含んでもよいし、後述のゲートウェイ局（フィーダ局）を含んでもよい。

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。

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。

ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、利用者の端末装置（以下「ＵＥ」（ユーザ装置）という。）と無線通信するためのビームを地面（又は海面）に向けて形成することにより、ＵＥ６１と無線通信可能な３次元セル１００Ｃを形成する。この３次元なセル１００Ｃの地上（又は海上）におけるフットプリント１００Ｆからなるサービスエリア１０Ａの半径は、例えば数１０［ｋｍ］～１００［ｋｍ］である。

なお、本実施形態において、ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、複数の３次元セル（例えば、３セル又は７セル）を形成し、その複数の３次元セルの地上（又は海上）における複数のフットプリントからなるサービスエリア１０Ａを形成してもよい。

ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、例えば、地上（又は海上）側の移動通信網８０のコアネットワークに接続され上空を向いたアンテナ７１を有する中継局としてのゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）である。ＨＡＰＳ１０の中継通信局は、地上又は海上に設置されたフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。ＨＡＰＳ１０とフィーダ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。

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。

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。

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。

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。

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を介した固定基地局との間のリンク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に向かう通信の上りリンクを「リバースリンク」ＦＬ（Ｒ）ともいう。

中継通信局１１０を介したＵＥ６１との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局１１０を介したＵＥ６１との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。

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、多素子のアレーアンテナを用いて複数のＵＥ６１のそれぞれに対して同時にビームフォーミング伝送を行うｍａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）伝送方式を用いている。ｍＭＩＭＯ伝送方式を用いることにより、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。

図４及び図５はそれぞれ、本実施形態のＨＡＰＳ１０におけるｍＭＩＭＯ伝送方式に用いることができる多素子で構成されるアレーアンテナ１３０の一例を示す斜視図である。

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。

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。

なお、アレーアンテナ１３０の形状、並びに、アンテナ素子の数、種類及び配置は、図４及び図５に例示したものに限定されない。

図６は、ＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０を用いたｍＭＩＭＯ伝送方式におけるビームフォーミングの一例を示す説明図である。図６のＨＡＰＳ１０のアレーアンテナ１３０とサービスエリア１０Ａ（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、ｍＭＩＭＯ伝送方式を用いて、各ＵＥ６１の通信環境に応じて、各ＵＥ６１に対して個別に適切なビーム１００Ｂを向けて通信するビームフォーミングを行うことにより、通信品質を改善することができる。

図７は、本実施形態のＨＡＰＳ１０のサービスリンクのセル１００Ｃに形成される複数のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）の一例を示す説明図である。図８は、図７の複数のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）の時間軸上における切り替えの一例を示す説明図。各ＵＥ６１に対して個別にビーム１００Ｂを向けて通信するｍＭＩＭＯ伝送方式の通信においても、ＨＡＰＳ１０からセル１００Ｃ内に向けて周期的に送信される同期信号（ＳＳ）や主要無線パラメータを通知する報知チャネル（ＰＢＣＨ）等のセル接続開始に必要な制御関連信号は、セル１００Ｃ内のすべてのＵＥ６１に届く必要がある。そのため、本実施形態では、図７及び図８に示すように無線リソースにおけるＳＳ及びＰＢＣＨのブロックを一単位としたＳＳＢを一つの単位として定義し、セル１００Ｃを構成する複数のエリア部分（以下「ＳＳＢエリア」という。）に対して互いに異なる複数の制御用ビームとしてのＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）を切り替えながら、ＳＳ及びＰＢＣＨ等の無線通信制御に関する制御関連信号を各ＵＥ６１に送信している。

図９は、下りリンクの無線リソースにおけるＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に関連する物理チャネル（ＳＳＢビーム関連チャネル）の配置の一例を示す説明図である。図９の例では、１ｍｓのスロット及び１５ｋＨｚのサブキャリアを一単位として定義される下りリンクのリソースブロックに割り当てられる物理チャネルのうち、図中のハッチングを付したＳＳ（同期信号）及びＰＢＣＨ（物理下りリンク報知チャネル）からなるＳＳＢと、ＰＤＣＣＨ（物理下りリンク制御チャネル）と、初期アクセス完了前のＰＤＳＣＨ（物理下りリンク共有チャネル）が、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に関連する物理チャネル（ＳＳＢビーム関連チャネル）である。これらのＳＳＢビーム関連チャネルに割り当てられるリソースブロック（ＲＢ）が、下りリンクの制御通信用の無線リソース部分である。他の初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨ（物理下りリンク共有チャネル）は、ｍＭＩＭＯ伝送方式の下りリンク通信に用いられるＵＥ個別のビームが適用される物理チャネルである。

図１０は、上りリンクの無線リソースにおけるＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に関連する物理チャネル（ＳＳＢビーム関連チャネル）の配置の一例を示す説明図である。図１０の例では、１ｍｓのスロット及び１５ｋＨｚのサブキャリアを一単位として定義される上りリンクのリソースブロックに割り当てられる物理チャネルのうち、図中のハッチングを付したＰＲＡＣＨ（物理ランダムアクセスチャネル）と、ＰＵＣＣＨ（物理上りリンク制御チャネル）と、初期アクセス完了前のＰＵＳＣＨ（物理上りリンク共有チャネル）が、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に関連する物理チャネル（ＳＳＢビーム関連チャネル）である。これらのＳＳＢビーム関連チャネルに割り当てられるリソースブロック（ＲＢ）が、上りリンクの制御通信用の無線リソース部分である。他の初期アクセス完了以降のＰＵＳＣＨ（物理上りリンク共有チャネル）は、ｍＭＩＭＯ伝送方式の上りリンク通信に用いられるＵＥ個別のビームが適用される物理チャネルである。

このようにＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）を介してＳＳ、ＰＢＣＨ等の制御関連信号を送信するＨＡＰＳ１０は、そのＨＡＰＳ１０が位置している成層圏等での気流や気圧などの影響により姿勢や位置が変動する。そのため、ＨＡＰＳ１０によって地上（又は海上）に形成されるセル１００Ｃの各ＳＳＢビームに対応するフットプリントが移動・変形し、次に示すように制御信号の増加や通信の断絶が発生するおそれがある。

図１１は、実施形態のＨＡＰＳ１０のヨー回転前の状態の一例を示す説明図である。図１１に例示する飛行船型のＨＡＰＳ１０では、単一のセルに対して互いに異なる向きの３つのＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）が形成され、サービスエリア１０Ａ内に、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対応する３分割のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３）が位置する。

図１２は、比較参考例に係るＨＡＰＳ１０のヨー回転によるＳＳＢビームのフットプリントの変化の一例を示す説明図である。図１１に例示したＨＡＰＳ１０が図中の左回転方向に角度θｙａｗだけヨー回転すると、図１２に示すようにＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）も同じ角度θｙａｗだけ回転し、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対応するフットプリント１００Ｆ’（１）～１００Ｆ’（３）も角度θｙａｗだけ回転して位置がシフトする。このフットプリントのシフトによって受信対象のＳＳＢビームが変化したエリア１００Ｘ（１）～１００Ｘ（３）内に位置する多くのＵＥ６１は、前述のＢＦＲによる接続復帰動作を行うことが想定され、ＢＦＲによる制御信号が増加するおそれがある。

図１３は、実施形態のＨＡＰＳ１０のロール回転前の状態の一例を示す説明図である。図１３に例示するソーラープレーン型のＨＡＰＳ１０では、単一のセルに対して互いに異なる向きの３つのＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）が形成され、サービスエリア内に、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対応する３分割のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３）が位置する。なお、図１３では、説明の都合上、フットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３）を図中横方向に並べて示している。

図１４は、比較参考例に係るＨＡＰＳ１０のロール回転によるＳＳＢビームのフットプリントの変化の一例を示す説明図である。図１３に例示したＨＡＰＳ１０が図中の左回転方向に角度θｒｏｌｌだけロール回転すると、図１４に示すようにＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）も同じ角度θｒｏｌｌだけ回転し、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対応するフットプリント１００Ｆ’（１）～１００Ｆ’（３）が図中右方向にシフト移動するとともにサイズも変化する。このフットプリントのシフト及びサイズ変化によって受信対象のＳＳＢビームが変化したエリア１００Ｘ（２）、１００Ｘ（３）内に位置する多くのＵＥ６１は、前述のＢＦＲによる接続復帰動作を行うことが想定され、ＢＦＲによる制御信号が増加するおそれがある。また、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）に対応するフットプリント１００Ｆ’（１）から外れたエリア１００Ｘ（１）は、サービスエリア外になるため、エリア１００Ｘ（１）内に位置する多くのＵＥ６１は、ＨＡＰＳ１０との通信が断絶してしまう。

また、本実施形態のＨＡＰＳ１０を備える移動通信システムにおいて広帯域化された周波数帯域の全域に対してセル１００Ｃのフットプリントの固定のためのビーム制御を行おうとすると、ＨＡＰＳ１０の基地局処理部１１９における回路規模及び消費電力が増大するおそれがある。

本実施形態において、上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化がある場合のセル１００Ｃ内のＵＥ６１との間の制御信号の増加及び通信の断絶を抑制するとともに、基地局処理部１１９の回路規模及び消費電力の低減を図るために、以下に示すように、セル１００Ｃに形成される複数のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に限定してフットプリント固定制御を行っている。

図１５は、本実施形態のＨＡＰＳ１０におけるフットプリント固定制御対象のＳＳＢビーム関連チャネル（例えば、ＳＳＢ、ＰＤＣＣＨ及び初期アクセス完了前のＰＤＳＣＨ）と、フットプリント固定制御対象外の各ＵＥ６１の初期アクセル後の共有チャネル（例えば、初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨ）の時間軸上の切り替えの一例を示す説明図である。図１５に示すように、本実施形態のＨＡＰＳ１０では、下りリンクの場合、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）を介してセル１００Ｃ内のＵＥ６１に周期的なＳＳ及びＰＢＣＨ、初期アクセス完了前のＰＤＳＣＨ等を送信するＳＳＢビーム関連チャネルの無線リソース部分（所定のスロット及びサブキャリアのＲＢ）に限定して、ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行される。同様に、上りリンクの場合、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）を介してセル１００Ｃ内のＵＥ６１からＰＲＡＣＨ、初期アクセス完了前のＰＵＳＣＨ等を送信するＳＳＢビーム関連チャネルの無線リソース部分（所定のスロット及びサブキャリアのＲＢ）に限定して、ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行される。

一方、下りリンクにおけるＵＥ個別ビームを介してセル１００Ｃ内の各ＵＥ６１に送信される初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨ等の他の共有チャネルの無線リソース部分（ＲＢ）については、ＵＥ個別ビームの制御がフットプリント固定制御を兼ねるので、上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行されない。また同様に、上りリンクにおけるＵＥ個別ビームを介してセル１００Ｃ内の各ＵＥ６１から受信する初期アクセス完了以降のＰＵＳＣＨ等の他の共有チャネルの無線リソース部分（ＲＢ）については、ＵＥ個別ビームの制御がフットプリント固定制御を兼ねるので、上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行されない。

上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御は、基地局処理部１１９で実行される。下りリンクの送信時のフットプリント固定制御は、例えば、アレーアンテナ１３０を介してされる周波数領域の送信信号に対して送信用のビームフォーミングウェイト（以下「ＢＦウェイト」という。）を適用するデジタルビームフォーミング制御である。また、上りリンクの受信時のフットプリント固定制御は、例えば、アレーアンテナ１３０を介して受信された周波数領域の受信信号に対してＳＳＢビーム受信用のＢＦウェイトを適用するデジタルビームフォーミング制御である。

複数のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のそれぞれに対するフットプリント固定制御（周波数領域のデジタルビームフォーミング制御）は、下りリンク及び上りリンクの両方について実行される必要がある。

例えば、下りリンクの場合、事前に設定した地上（又は海上）のセル１００Ｃの３箇所の目標地点のそれぞれに対して送信時のＳＳＢビーム１００Ｂのメインビームが向くように、ＳＳＢビーム１００Ｂに関連付けられたＳＳ、ＰＢＣＨ、初期アクセス完了前のＰＤＳＣＨ等を送信するＳＳＢビーム関連チャネルの無線リソース（ＲＢ）で送信される変調シンボルにＢＦウェイトが適用されて変調シンボルの位相及び振幅が制御される。

また、上りリンクの場合、事前に設定した地上（又は海上）のセル１００Ｃの３箇所の目標地点のそれぞれに対して受信時のＳＳＢビーム１００Ｂのメインビームが向くように、ＳＳＢビーム１００Ｂに関連付けられたＰＲＡＣＨ、初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨ等のＳＳＢビーム関連チャネルの無線リソース（ＲＢ）で受信された変調シンボルにＢＦウェイトが適用されて変調信号の位相及び振幅が制御される。

上記ＢＦウェイトは、アレーアンテナ１３０の形状及びアンテナ素子１３０ａの配列に関するアンテナ情報と、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢の少なくとも一方のＨＡＰＳ本体情報と、に基づいて算出される。ＢＦウェイトの算出に用いるＨＡＰＳ本体情報は、ＨＡＰＳ１０の位置の情報のみであってもよいし、ＨＡＰＳ１０の姿勢の情報のみであってもよいし、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢の両方の情報であってもよい。ＨＡＰＳ１０の位置の情報は、ＨＡＰＳ１０の絶対位置（例えば、緯度、経度及び高度）であってもよいし、対象のサービスエリアの目標地点に対する相対位置情報であってもよい。ＨＡＰＳ１０の姿勢の情報は、例えば、ＨＡＰＳ１０の基準姿勢に対するヨー回転角度（鉛直軸を中心とした機体の回転角度）、ロール回転角度（進行方向軸を中心とした機体の回転角度）及びピッチ回転角度（進行方向と直交する水平軸を中心とした機体の回転角度）の少なくとも一つであってもよい。

本実施形態のＨＡＰＳ１０によれば、上記ＳＳＢビーム関連チャネルの無線リソース部分（ＲＢ）に限定して実行される、ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御により、例えば、図１６に示すようにＨＡＰＳ１０がヨー回転してもＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３）の位置は固定されて維持される。従って、ＨＡＰＳ１０のヨー回転に起因した前述のＢＦＲによる制御信号の増加を抑制できる。また、図１７に示すようにＨＡＰＳ１０がロール回転してもＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のフットプリント１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３）の位置は固定されて維持される。従って、ＨＡＰＳ１０のロール回転に起因した前述のＢＦＲによる制御信号の増加を抑制でき、ＨＡＰＳ１０との通信の断絶も発生しない。

しかも、本実施形態のＨＡＰＳ１０によれば、ＵＥ個別ビームを介してセル１００Ｃ内の各ＵＥ６１に送信される初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨ等の他の共有チャネルの無線リソース部分（ＲＢ）については、上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行されない。また、ＵＥ個別ビームを介してセル１００Ｃ内の各ＵＥ６１から受信される初期アクセス完了以降のＰＵＳＣＨ等の他の共有チャネルの無線リソース部分（ＲＢ）については、上記ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくフットプリント固定制御が実行されない。従って、セル１００Ｃ全体の帯域についてフットプリント固定制御を行う場合とは異なり、ＨＡＰＳ１０の基地局処理部１１９における回路規模及び消費電力の増大を抑制できる。

図１８は、ＨＡＰＳ１０の位置を基準にした座標系における方位角φ及び仰角θの定義を示す説明図である。事前に設定した目標点に対応する方位角φ及び仰角θの方向に前記制御用ビームのメインビームが向くような制御を行うためには、上記送信用のＢＦウェイト及び上記受信用のＢＦウェイトを、例えば次の公開公報に記載されているように計算してもよい（特開２０２０－０３６０７０号公報（出願番号：特願２０１８－１５８１９２）参照）。

なお、上記ＢＦウェイトは、ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化の情報に基づくＳＳＢビームのフットプリント固定制御を実行するタイミングに計算して用いてよいし、ＨＡＰＳ１０の複数の位置及び姿勢について事前に計算しておいてもよい。例えば、サービスエリアの位置を基準にしたＨＡＰＳ１０の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけて、ＢＦウェイトを予め計算して保存し、その保存している複数組の位置及び姿勢それぞれに対応する複数のＢＦウェイトから、後述の位置・姿勢情報取得部１２０で取得したＨＡＰＳ１０の現在の位置及び姿勢に対応するＢＦウェイトを選択してもよい。

図１９は、本実施形態のＨＡＰＳ１０の中継通信局１１０の主要構成の一例を示すブロック図である。図１９の中継通信局１１０は、基地局タイプの中継通信局の例である。中継通信局１１０は、サービスリンク用アンテナ部１１１と、送受信部１１２と、フィーダリンク用アンテナ部１１３と、送受信部１１４と、監視制御部１１６と、電源部１１７と、モデム部１１８と、基地局処理部１１９と、位置・姿勢情報取得部１２０とを備える。

サービスリンク用アンテナ部１１１は、地上（又は海上）に向けて放射状のビームを形成するアレーアンテナを有し、ＵＥ６１と通信可能な３次元セル１００Ｃを形成する。送受信部１１２は、サービスリンク用アンテナ部１１１とともに第一無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、サービスリンク用アンテナ部１１１を介して、３次元セル１００Ｃに在圏するＵＥ６１に無線信号を送信したりＵＥ６１から無線信号を受信したりする。

サービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２は、アレーアンテナ１３０を介して複数のＵＥ６１のそれぞれから、ＵＥ６１を識別可能な上りリンク信号を受信する上りリンク（ＵＬ）受信部としても機能する。

フィーダリンク用アンテナ部１１３は、地上（又は海上）のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、フィーダリンク用アンテナ部１１３とともに第二無線通信部を構成し、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、フィーダリンク用アンテナ部１１３を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。

監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。特に、監視制御部１１６は、制御プログラムを実行することにより、プロペラ１０３，２０２を駆動するモータ駆動部１４１を制御して、ＨＡＰＳ１０を目標位置へ移動させ、また、目標位置近辺に留まるように制御する。

電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。

モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィーダリンク用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィーダリンク用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。

基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格又は第５世代などの次世代の標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行う機能（例えば、ｅ－ＮｏｄｅＢ、ｇ－ＮｏｄｅＢなどの機能）を有する。

基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル１００Ｃに在圏するＵＥ６１からサービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、サービスリンク用アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル１００ＣのＵＥ６１に送信するベースバンド信号（ＩＱ信号）を生成する。

更に、基地局処理部１１９は、下りリンク及び上りリンクの両方について、前述のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対するフットプリント固定制御（周波数領域のデジタルビームフォーミング制御）を実行する。

また、基地局処理部１１９におけるベースバンド処理は、セル１００Ｃに在圏する複数のＵＥのそれぞれとの間でＵＥ個別ビームを介して下りリンクの通信を行う個別通信用の無線リソース部分（例えば、初期アクセス完了以降のＰＤＳＣＨが割り当てられたＲＢ）について、ＵＥ６１ごとに周波数領域の個別通信用ビームフォーミングのためのプリコーディングを適用する処理を含む。

また、基地局処理部１１９におけるベースバンド処理は、セル１００Ｃに在圏する複数のＵＥのそれぞれとの間でＵＥ個別ビームを介して上りリンクの通信を行う個別通信用の無線リソース部分（例えば、初期アクセス完了以降のＰＵＳＣＨが割り当てられたＲＢ）について、ＵＥ６１ごとに周波数領域の個別通信用ビームフォーミングのためのポストコーディング（「デコーディング」ともいう。）を適用する処理を含む。

位置・姿勢情報取得部１２０は、ＨＡＰＳ１０の位置の情報、姿勢の情報、又は、その両方の情報を取得する。例えば、本実施形態の位置・姿勢情報取得部１２０は、ＨＡＰＳ１０に組み込んだＧＰＳ受信装置、ジャイロセンサ、加速度センサなどの出力に基づいて、ＨＡＰＳ１０の位置及び姿勢の両方の情報を取得する。

図２０は、図１９の中継通信局１１０の基地局処理部１１９における下りリンク（ＤＬ）送信部１１９０の主要構成の一例を示すブロック図である。なお、図２０では、本実施形態に関係する主要構成のみが図示されており、ＵＥ６１との間の通信に必要な他の構成部分については図示を省略されている。

図２０において、下りリンク（ＤＬ）送信部１１９０は、第１のプリコーディング部１１９１と、第２のプリコーディング部１１９２と、複数の周波数／時間変換部１１９３とを備える。

第１のプリコーディング部（以下「ＳＳＢプリコーディング部」という。）１１９１は、セル１００内のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対するフットプリント固定制御を伴うビームフォーミングのためのプリコーディング処理を行う。例えば、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のそれぞれを介して各ＳＳＢエリアに送信されるＳＳ、ＰＢＣＨ、初期アクセス完了前ＰＤＳＣＨなどのＳＳＢビーム関連チャネルの送信シンボルＳＳＢ１，ＳＳＢ２，ＳＳＢ３は、フットプリント固定制御対象の所定のＲＢに割り当てられ、ＳＳＢプリコーディング部１１９１に順次入力される。ＳＳＢプリコーディング部１１９１は、ＳＳＢビーム関連チャネルの送信シンボルが入力されると、その送信シンボルが送信されるＳＳＢエリアに対応する前記フットプリント固定制御が適用されたＢＦウェイトを、当該送信シンボルに乗算することにより、アレーアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３０ａに対する複数の周波数領域のＩＱ信号を生成する。複数の周波数領域のＩＱ信号はそれぞれ、上記所定のＲＢに対応するサブキャリアを用いてＯＦＤＭ変調（サブキャリア変調）された後、対応する周波数／時間変換部１１９３に入力される。

第２のプリコーディング部（以下「ＵＥプリコーディング部」という。）１１９２は、セル１００内のＵＥ６１それぞれに対してＵＥ個別ビームを向けるためのプリコーディング処理を行う。例えば、複数のＵＥ６１に送信されるＳＳＢビーム関連チャネル以外の物理チャネル（例えば、初期アクセス完了前ＰＤＳＣＨ）の複数のＵＥ宛の送信シンボルはそれぞれ、フットプリント固定制御対象外の所定のＲＢ（ＵＥ個別のＲＢ）に割り当てられ、ＵＥプリコーディング部１１９２に並列入力される。ＵＥプリコーディング部１１９２は、複数のＵＥ宛の送信シンボルが入力されると、前記フットプリント固定制御が適用されていないＵＥごとのＢＦウェイトを、当該複数のＵＥ宛の送信シンボルに乗算することにより、アレーアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３０ａに対する複数の周波数領域のＩＱ信号を生成する。ＵＥごとのＢＦウェイトは、例えばＵＥ６１から受信したＣＳＩ（チャネル状態情報）に基づいて計算することができる。複数の周波数領域のＩＱ信号はそれぞれ、上記所定のＲＢに対応するサブキャリアを用いてＯＦＤＭ変調（サブキャリア変調）された後、対応する周波数／時間変換部１１９３に入力される。

複数の周波数／時間変換部１１９３は、アレーアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３０ａのそれぞれに対応するように設けられている。複数の周波数／時間変換部１１９３はそれぞれ、例えばＩＦＦＴ（逆フーリエ高速変換）により、第１のプリコーディング部１１９１及び第２のプリコーディング部１１９２から出力された複数のアンテナ素子１３０ａに対応する複数の周波数領域のＩＱ（同位相－直交位相）信号を複数の時間領域のＩＱ信号に変換する。各周波数／時間変換部１１９３から出力された時間領域のＩＱ信号は、送受信部１１２（図１９参照）に供給される。

図２１は、図１９の中継通信局１１０の基地局処理部１１９における上りリンク（ＵＬ）受信部１１９５の主要構成の一例を示すブロック図である。なお、図２１では、本実施形態に関係する主要構成のみが図示されており、ＵＥ６１との間の通信に必要な他の構成部分については図示を省略されている。

図２１において、上りリンク（ＤＬ）受信部１１９５は、複数の周波数／時間変換部１１９６と、第１のポストコーディング部１１９７と、第２のポストコーディング部１１９８と、を備える。

複数の周波数／時間変換部１１９６は、アレーアンテナ１３０の複数のアンテナ素子１３０ａのそれぞれに対応するように設けられている。複数の周波数／時間変換部１１９６はそれぞれ、例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）により、複数のアンテナ素子１３０ａで受信されて送受信部１１２（図１９参照）から出力された複数の時間領域の受信信号を、複数の周波数領域のＩＱ（同位相－直交位相）信号に変換する。複数の周波数／時間変換部１１９６から出力された複数の周波数領域のＩＱ信号はそれぞれ、ＯＦＤＭ復調処理が施された後、第１のポストコーディング部１１９７及び第２のポストコーディング部１１９８のそれぞれに供給される。

第１のポストコーディング部（以下「ＳＳＢポストコーディング部」という。）１１９７は、セル１００内のＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）に対するフットプリント固定制御を伴うビームフォーミングのためのポストコーディング処理を行う。例えば、複数の周波数／時間変換部１１９６からＳＳＢポストコーディング部１１９７に入力された複数の周波数領域の受信信号（ＩＱ信号）はそれぞれ、ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）を介して各ＳＳＢエリアから受信したＰＲＡＣＨ、ＰＵＣＣＨ、初期アクセス完了前ＰＵＳＣＨなどのＳＳＢビーム関連チャネルの受信シンボルの信号を含む。ＳＳＢポストコーディング部１１９７は、各ＳＳＢエリアに対応する前記フットプリント固定制御が適用されたＢＦウェイトを、当該受信信号に順次乗算することにより、フットプリント固定制御対象の所定のＲＢに割り当てられたＰＲＡＣＨ、ＰＵＣＣＨ、初期アクセス完了前ＰＵＳＣＨなどのＳＳＢビーム関連チャネルの受信シンボルを分離して出力する。

第２のポストコーディング部（以下「ＵＥポストコーディング部」という。）１１９８は、セル１００内のＵＥ６１それぞれに対してＵＥ個別ビームを向けるためのポストコーディング処理を行う。例えば、複数の周波数／時間変換部１１９６からＵＥポストコーディング部１１９８に入力された複数の周波数領域の受信信号（ＩＱ信号）はそれぞれ、各ＵＥ個別ビームを介して受信した各ＵＥ６１からの受信シンボル（例えば、初期アクセス完了後のＰＵＳＣＨの受信シンボル）の信号を含む。ＵＥポストコーディング部１１９８は、前記フットプリント固定制御が適用されていないＵＥごとのＢＦウェイトを、当該受信信号に乗算することにより、各ＵＥ６１からの受信シンボルを分離して出力する。

以上、本実施形態によれば、ＨＡＰＳ１０の移動及び姿勢変化があっても、サービスエリアを構成するセル１００Ｃ内で制御チャネルなどに割り当てられる特定の無線リソース部分が用いられるＳＳＢビーム（制御用ビーム）１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のフットプリントの移動及び変形が抑制され、セル１００Ｃ内のＵＥ６１との間のＢＦＲによる制御信号の増加及び通信の断絶を抑制できるとともに、基地局処理部１１９の回路規模及び消費電力の低減を図ることができる。

なお、上記実施形態におけるＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のフットプリント固定制御は、ＨＡＰＳ１０が自立的に判断して行ってもよいし、遠隔制御装置やサーバ等の外部装置からの制御指令によって行ってもよい。また、上記ＳＳＢビーム１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３）のフットプリント固定制御は所定の時間間隔で定期的に行ってもよいし、ＨＡＰＳ１０の移動距離又は姿勢変化が所定よりも大きくなったときに行ってもよい。

また、上記実施形態におけるＳＳＢビームの数は１、２、又は４以上であってもよい。

また、本発明は、無線リソース（時間・周波数リソース）あたりのＵＥ数（ユーザ数）に関係なく適用できるものである。また、本発明は、ある特定の無線リソース（時間・周波数リソース）を単一のＵＥが利用するシングルユーザ伝送（例えば、ＳＵ－ＭＩＭＯ伝送）、及び、ある特定の無線リソース（時間・周波数リソース）を複数のＵＥが利用するマルチユーザ伝送（例えば、ＭＵ－ＭＩＭＯ伝送）の両方において適用可能である。

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（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。

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（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。

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。

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。

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。

１０ ：ＨＡＰＳ（通信中継装置）
１０Ａ ：サービスエリア
７０ ：ＧＷ局（フィーダ局）
７１ ：アンテナ
８０ ：移動通信網
１００Ｂ（１）～１００Ｂ（３） ：ＳＳＢビーム
１００Ｃ ：セル
１００Ｆ（１）～１００Ｆ（３） ：ＳＳＢビームのフットプリント
１００Ｆ’（１）～１００Ｆ’（３） ：変化後のＳＳＢビームのフットプリント
１００Ｘ（１）～１００（Ｘ） ：ＳＳＢビームが変化したエリア
１１０ ：中継通信局
１１１ ：サービスリンク用アンテナ部
１１２ ：送受信部
１１３ ：フィーダリンク用アンテナ部
１１４ ：送受信部
１１６ ：監視制御部
１１７ ：電源部
１１８ ：モデム部
１１９ ：基地局処理部
１２０ ：姿勢情報取得部
１３０ ：アレーアンテナ
１３０ａ ：アンテナ素子
１１９０ ：下りリンク（ＤＬ）送信部
１１９１ ：第１のプリコーディング部（ＳＳＢプリコーディング部）
１１９２ ：第２のプリコーディング部（ＵＥプリコーディング部）
１１９３ ：周波数／時間変換部
１１９５ ：上りリンク（ＵＬ）受信部
１１９６ ：周波数／時間変換部
１１９７ ：第１のポストコーディング部（ＳＳＢポストプリコーディング部）
１１９８ ：第２のポストコーディング部（ＵＥポストコーディング部）

Claims (4)

1. 端末装置と無線通信する上空滞在型の通信中継装置であって、
   前記端末装置と間で無線通信が可能なサービスリンクのセルを形成する複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナと、
   前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報を取得する情報取得部と、
   前記アレーアンテナを介して送信される下りリンクの送信信号に対して周波数領域のビームフォーミングのためのプリコーディングを適用する処理を含むベースバンド処理と前記アレーアンテナを介して受信された上りリンクの受信信号に対して周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを適用する処理とを行う基地局処理部と、を備え、
   前記基地局処理部は、
   前記サービスリンクに用いられる下りリンクの無線リソースのうち、前記セルに対して形成される単一又は複数の制御用ビームを介して通信を行う制御通信用の無線リソース部分について、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記制御用ビームに対応するフットプリントの位置を固定するように前記周波数領域のビームフォーミングのためのプリコーディングを行うフットプリント固定制御を実行し、
   前記制御通信用の無線リソース部分以外の下りリンクの無線リソース部分については、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づくフットプリント固定制御を実行せず、
   前記サービスリンクに用いられる上りリンクの無線リソースのうち、前記セルに対して形成される単一又は複数の制御用ビームを介して上りリンクの通信を行う制御通信用の無線リソース部分について、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づいて、前記制御用ビームに対応するフットプリントの位置を固定するように前記周波数領域のビームフォーミングのためのポストコーディングを行うフットプリント固定制御を実行し、
   前記制御通信用の無線リソース部分以外の上りリンクの無線リソース部分については、前記通信中継装置の位置及び姿勢の少なくとも一方の情報に基づくフットプリント固定制御を実行せず、
   前記フットプリント固定制御では、事前に設定した目標点に対して制御用ビームのメインビームが向くようにビームフォーミングを行う、ことを特徴とする通信中継装置。
2. 請求項１の通信中継装置において、
   前記下りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、同期信号（ＳＳ）及び報知チャネル（ＰＢＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分を含み、
   前記下りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理下りリンク制御チャネル（ＰＤＣＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分と、前記端末装置から前記セルへの初期アクセス完了前の物理下りリンク共有チャネル（ＰＤＳＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分とを含む、ことを特徴とする通信中継装置。
3. 請求項１又は２の通信中継装置において、
   前記上りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理ランダムアクセスチャネル（ＰＲＡＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分を含み、
   前記上りリンクの制御通信用の無線リソース部分は、物理上りリンク制御チャネル（ＰＵＣＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分と、前記端末装置から前記セルへの初期アクセス完了前の物理上りリンク共有チャネル（ＰＵＳＣＨ）が割り当てられる無線リソース部分とを含む、ことを特徴とする通信中継装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかの通信中継装置において、
   サービスエリアの位置を基準にした前記通信中継装置の予測移動経路における互いに異なる複数組の位置及び姿勢それぞれに対応づけてビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを予め計算して保存し、前記保存している複数組の位置及び姿勢それぞれに対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトから、前記情報取得部で取得した前記通信中継装置の位置及び姿勢に対応するビームフォーミング（ＢＦ）ウェイトを選択する、ことを特徴とする通信中継装置。

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