JP7477792B2 - アンテナ方向決定方法、無線通信システム及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ方向決定方法、無線通信システム及び通信装置に関する。

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におけるデータを収集する目的でＩｏＴ端末を活用することも想定されている。

また、ＩｏＴ端末と、ＵＡＶ（無人航空機、Unmanned Aerial Vehicle）や静止衛星との間で無線通信する技術も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１では、静止衛星に関する非再生中継の技術が記載されている。しかし、低軌道衛星などに中継装置を搭載する場合、中継装置が通信可能なエリアは、低軌道衛星の移動とともに移動する。そのため、地球上に設置されたＩｏＴ端末や基地局などの通信装置が中継装置と通信できる時間は限定的となってしまうことが想定されている。

ところで、低軌道衛星に対するアンテナの追尾技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献２に記載の技術を用いることで、低軌道衛星との通信可能な時間が限定的な状況であっても、通信効率を向上させることができる。

門脇 直人，et al.，「新たな広がりを見せる衛星通信技術の最新動向」，電子情報通信学会論文誌 B，Vol.J97-B No.11，p.979-991，2014年 Hidayat, Arif, et al. "LEO antenna ground station analysis using fast fourier transform", 2017 7th International Annual Engineering Seminar (InAES). IEEE, 2017.

しかしながら、非特許文献２に記載の技術では、低軌道衛星と常時通信が必要となるため、ＩｏＴ端末のような省電力で動作することが望まれる端末には適さない。さらに、非特許文献２に記載の技術では、アンテナに追尾機構を備えていることが前提となるが、ＩｏＴ端末のような安価な端末では追尾機構を備えていないこともある。このように、追尾機構を備えていない安価なＩｏＴ端末であっても、低軌道衛星との間で効率よく通信を行うことができる技術が望まれている。

上記事情に鑑み、本発明は、安価な通信装置であっても、移動する移動体と効率よく通信を行うことができる技術の提供を目的としている。

本発明の一態様は、指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおけるアンテナ方向決定方法であって、前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定する決定ステップ、を有するアンテナ方向決定方法である。

本発明の一態様は、指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムであって、前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定するアンテナ方向決定部、を備える無線通信システムである。

本発明の一態様は、指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける通信装置であって、前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定するアンテナ方向決定部、を備える通信装置である。

本発明により、安価な通信装置であっても、移動する移動体と効率よく通信を行うことが可能となる。

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。 第１の実施形態における端末局が行うデータ送信処理の流れを示すフローチャートである。 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。 第２の実施形態における端末局が行うデータ送信処理の流れを示すフローチャートである。 第３の実施形態による無線通信システムの構成図である。 第３の実施形態における端末局が行うアンテナ方向情報出力処理の流れを示すフローチャートである。 第３の実施形態における方位角と確率密度関数との関係を表す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（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。図１では、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の数が１台である場合を示しているが、移動中継局２、端末局３及び基地局４の数は任意である。端末局３の数は、多数であることが想定される。

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。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、端末局３から送信されたデータを無線信号により受信する。移動中継局２は、受信したデータを基地局４へ無線により送信する。以下、移動中継局２から基地局４に送信される信号を基地局ダウンリンク信号という。

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。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。以下、端末局３から移動中継局２に対して送信される信号を端末アップリンク信号という。
基地局４は、端末局３が収集したデータを移動中継局２から受信する。

第１の実施形態における端末局３は、地球上の特定の位置、かつ、平地や山地等の動揺が生じない位置に設置される。ここで記載している動揺が生じない位置とは、移動体による移動、端末局３の移動や海洋における波等による動揺が生じない位置である。第１の実施形態における基地局４は、地上や海上等の地球上の特定の位置に設置される。

移動中継局として、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端末に対するリンクバジェットは非常に小さい。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、リンクバジェットは高いものの、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、リンクバジェットは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。

ＬＥＯ衛星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、個々の端末局３や基地局４が移動中継局２と通信可能な時間が限られている。具体的には、地上で見ると、移動中継局２は、１０分程度で上空を通り過ぎる。従来のように追尾機構を備えている端末であれば、高速で移動する移動中継局２に追尾して限られた時間内でも効率よく通信が可能である。しかしながら、第１の実施形態に記載の端末局３は追尾機構を備えていない。そこで、第１の実施形態では、端末局３が、複数の指向性アンテナを備え、移動中継局２と通信可能なタイミングで通信を行う。

移動中継局２と通信可能なタイミングとは、指向性アンテナのビーム幅の範囲内に移動中継局２が位置しているタイミングである。移動中継局２が指向性アンテナのビーム幅の範囲内に位置しているか否かは、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３の位置情報と、指向性アンテナの方向とに基づいて判定される。ＬＥＯの軌道情報は、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情報である。例えば、ＬＥＯの軌道情報には、予めどの時刻にＬＥＯ衛星が位置しているのかを示す位置情報が含まれていてもよい。これにより、いずれの指向性アンテナのビーム幅の範囲内に、ＬＥＯ衛星がどのタイミングで位置するのかを把握することが可能である。端末局３は、移動中継局２と通信可能なタイミングでデータを送信する。

各装置の構成を説明する。
移動中継局２は、アンテナ２１と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、アンテナ２５とを備える。
端末通信部２２は、受信部２２１と、受信波形記録部２２２とを有する。受信部２２１は、アンテナ２１により端末アップリンク信号を受信する。

受信波形記録部２２２は、受信部２２１が受信した端末アップリンク信号の受信波形をサンプリングする。受信波形記録部２２２は、サンプリングにより得られた値を示す波形データを生成する。受信波形記録部２２２は、アンテナ２１における端末アップリンク信号の受信時刻と、生成した波形データとを設定した受信波形情報をデータ記憶部２３に書き込む。

データ記憶部２３は、受信波形記録部２２２により書き込まれた受信波形情報を記憶する。

基地局通信部２４は、任意の無線通信方式の基地局ダウンリンク信号により受信波形情報を基地局４へ送信する。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、送信部２４４とを備える。記憶部２４１は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。

制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングにおいて、受信波形情報を基地局４に送信するように送信データ変調部２４３及び送信部２４４を制御する。

送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３に記憶されている受信波形情報を変調して基地局ダウンリンク信号を生成する。

送信部２４４は、基地局ダウンリンク信号を電気信号から無線信号に変換し、アンテナ２５から送信する。

端末局３は、記憶部３１と、送信部３２と、複数本のアンテナ３３と、アンテナ制御部３４とを備える。
記憶部３１は、端末局３の位置情報（自装置の位置情報）、アンテナ情報、ＬＥＯ衛星の軌道情報及びセンサデータなどを記憶する。アンテナ情報とは、アンテナ３３に関する情報である。例えば、アンテナ情報は、各アンテナ３３が向いている方向（例えば、角度）の情報を表す。端末局３の位置情報、アンテナ情報及びＬＥＯ衛星の軌道情報は、端末局３の動作開始前に事前に登録されているものとする。移動中継局２が複数台ある場合、記憶部３１には全てのＬＥＯ衛星の軌道情報が記憶される。

送信部３２は、記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、読み出した端末送信データを設定した端末アップリンク信号を、アンテナ制御部３４によって決定されたアンテナ３３から無線により送信する。

複数のアンテナ３３は、特定の方向に指向性を有する指向性アンテナである。複数のアンテナ３３は、互いに異なる方向を向いて設置される。ここでいう互いに異なる方向とは、向きが少しでも違う（例えば、アンテナの方向が１°でも違う）ことや向きが大きく違う（例えば、アンテナの方向が１８０°違う）ことを意味する。

送信部３２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。送信部３２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）などにより送信を行ってもよい。

送信部３２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、複数本のアンテナ３３から送信する信号のビーム形成を行ってもよい。

アンテナ制御部３４は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３の位置情報と、アンテナ情報とに基づいて、移動中継局２と通信可能なタイミングであるか否かを判定する。アンテナ制御部３４は、移動中継局２と通信可能なタイミングであると判定した場合、移動中継局２と通信可能なアンテナ３３によりデータを送信させる。

基地局４は、アンテナ４１と、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。
受信部４２は、アンテナ４１により受信した基地局ダウンリンク信号を、電気信号に変換する。

基地局信号受信処理部４３は、受信部４２が電気信号に変換した受信信号の復調及び復号を行い、受信波形情報を得る。基地局信号受信処理部４３は、受信波形情報を端末信号受信処理部４４に出力する。

端末信号受信処理部４４は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う。このとき、端末信号受信処理部４４は、端末局３が送信に使用した無線通信方式により受信処理を行って端末送信データを取得する。端末信号受信処理部４４は、端末信号復調部４４１と、端末信号復号部４４２とを備える。

端末信号復調部４４１は、波形データを復調し、復調により得られたシンボルを端末信号復号部４４２に出力する。端末信号復調部４４１は、波形データが示す信号に対して、移動中継局２のアンテナ２１が受信した端末アップリンク信号のドップラーシフトを補償する処理を行ってから、復調を行ってもよい。アンテナ２１が受信した端末アップリンク信号が受けるドップラーシフトは、端末局３の位置と、移動中継局２が搭載されているＬＥＯの軌道情報に基づき予め計算される。
端末信号復号部４４２は、端末信号復調部４４１が復調したシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

図２は、第１の実施形態における端末局３が行うデータ送信処理の流れを示すフローチャートである。図２の処理は、定期的に実行されてもよいし、移動中継局２が端末局３に近い位置に来るタイミングから実行されてもよい。

端末局３が、移動中継局２がどの時刻にどの位置に来るのかが事前にわかっている場合には、移動中継局２が端末局３に近い位置に来るタイミングを判断することができる。例えば、軌道情報に、どの時刻にどの位置に位置しているのかを示す情報が含まれていれば、端末局３はどの時刻に自装置の上空に位置しているのか等も判断可能である。一方で、移動中継局２がどの時刻にどの位置に来るのかが事前にわかっていない場合であっても、端末局３はＬＥＯ衛星の位置、速度及び移動方向の情報に基づいて、どの時刻に自装置の上空に位置しているのかを判断可能である。

アンテナ制御部３４は、記憶部３１を参照し、送信対象となるデータがあるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。送信対象となるデータがない場合（ステップＳ１０１－ＮＯ）、端末局３は図２の処理を終了する。

一方、送信対象となるデータがある場合（ステップＳ１０１－ＹＥＳ）、アンテナ制御部３４はＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３の位置情報と、アンテナ情報とに基づいて、通信可能なタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

具体的には、まずアンテナ制御部３４は、ＬＥＯ衛星の軌道情報に基づいて、通信可能なタイミングであるか否かの判定時点における移動中継局２の位置を推定する。次に、アンテナ制御部３４は、記憶部３１に記憶されているアンテナ情報と端末局３の位置情報とを用いて、推定した移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３の有無を判定する。

移動中継局２の位置の方向を向いているとは、移動中継局２の位置の方向に指向性を有することを意味する。すなわち、移動中継局２への指向性が最適になるような方向を向いていることを意味する。移動中継局への指向性が最適になるような方向とは、移動中継局の可視時間が最大となる方向（角度）を意味する。

移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３がない場合、アンテナ制御部３４は通信可能なタイミングではないと判定する。
一方、移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３がある場合、アンテナ制御部３４は通信可能なタイミングであると判定する。

通信可能なタイミングではないと判定した場合（ステップＳ１０２－ＮＯ）、アンテナ制御部３４は通信可能なタイミングとなるまで処理を繰り返す。
一方、通信可能なタイミングである場合（ステップＳ１０２－ＹＥＳ）、アンテナ制御部３４はデータの送信対象となるアンテナ３３を決定する（ステップＳ１０３）。具体的には、アンテナ制御部３４は、移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３を、データの送信対象となるアンテナ３３に決定する。このように、アンテナ制御部３４は、決定したアンテナ３３の向いている方向を、移動中継局への指向性が最適になるような方向として決定する。

アンテナ制御部３４は、決定したアンテナ３３からデータを送信させる指示を送信部３２に出力する。送信部３２は、記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、読み出した端末送信データを設定した端末アップリンク信号を、アンテナ制御部３４によって決定されたアンテナ３３から無線により送信する（ステップＳ１０４）。

以上のように構成された無線通信システム１によれば、端末局３の位置情報と、各アンテナ３３の方向と、軌道情報とに基づいて、移動中継局２と通信可能なアンテナ３３が決定される。すなわち、移動中継局２への指向性が最適になるような方向を向いているアンテナ３３が決定される。そして、端末局３は、決定したアンテナ３３により、移動中継局２に対してデータを含む端末アップリンク信号を送信する。このように、端末局３は、移動中継局２が通信可能な範囲に入ったタイミングで、移動中継局２が位置する方向に指向性を有するアンテナ３３で端末アップリンク信号の送信を行う。したがって、従来のように、移動中継局２と常時通信しなくてもよい。さらに、アンテナに追尾機構を備えていなくてもよい。そのため、安価なＩｏＴ端末であっても効率よく通信を行うことが可能になる。

（第１の実施形態における変形例）
上記実施形態では、複数のアンテナ３３を用いる構成を示したが、フェーズドアレーアンテナ等を用いて任意の方向にビームフォーミングを行えるアンテナを用いてもよい。

上記の実施形態では、端末局３が、一度の送信処理で複数のセンサデータを送信している。端末局３は、記憶部３１に記憶されているセンサデータを分割して送信してもよい。このように構成される場合、端末局３は、１回目の送信処理においてあるアンテナ３３（例えば、第１のアンテナ３３）によりセンサデータの送信を行う。その後、時間の経過とともに移動中継局２も移動する。これにより、１回目の送信処理において用いた第１のアンテナ３３のビーム幅の範囲内に移動中継局２が位置していない場合もある。

端末局３は、２回目の送信処理において、移動後の移動中継局２の位置を同様に推定し、推定した移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３の有無を判定する。移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３がある場合、アンテナ制御部３４は、移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３を、データの送信対象となるアンテナ３３に決定する。移動中継局２が移動しているため、ここで決定されるアンテナ３３は、１回目の送信処理において決定された第１のアンテナ３３と異なるアンテナ３３（例えば、第２のアンテナ３３）の場合もある。その場合、端末局３は、第２のアンテナ３３によりセンサデータの送信を行う。端末局３が備える複数のアンテナ３３は互いに異なる方向を向いている。したがって、上記のように１回目の送信処理が行われて少し時間が経過した後に２回目の送信処理が行われたとしても、異なるアンテナ３３において送信処理を実行することができる。そのため、安価なＩｏＴ端末であっても移動中継局２と効率よく通信を行うことが可能になる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、端末局が、動揺の影響を受ける場所に設置されている場面での利用を想定している。動揺の影響を受ける場所とは、例えば航空機や車載端末等の移動体や、海上のブイ等のように波による動揺の影響を受ける場所である。

図３は、第２の実施形態による無線通信システム１ａの構成図である。図３において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ａは、移動中継局２と、端末局３ａと、基地局４とを有する。

端末局３ａは、記憶部３１ａと、送信部３２と、１つのアンテナ３３と、アンテナ制御部３４ａと、センサ３５と、位置情報取得部３６とを備える。
記憶部３１ａは、アンテナ情報、ＬＥＯ衛星の軌道情報及びセンサデータなどを記憶する。記憶部３１ａは、位置情報取得部３６によって取得される各時刻における位置情報を記憶してもよい。

センサ３５は、例えば加速度センサである。センサ３５は、端末局３ａの動きを検知する。センサ３５は、端末局３ａの動きを検知することができれば加速度センサ以外のセンサであってもよい。センサ３５は、検知した端末局３ａの動きに関する情報（以下「動き情報」という。）をアンテナ制御部３４ａに出力する。動き情報には、端末局３ａが水平方向に対してどのくらい傾いているのかを示す情報が含まれる。

位置情報取得部３６は、端末局３ａの位置情報を取得する。例えば、位置情報取得部３６は、ＧＰＳ（Global Positioning System）システムにより端末局３ａの位置情報を取得する。

アンテナ制御部３４ａは、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３ａの位置情報と、アンテナ情報と、動き情報とに基づいて、移動中継局２と通信可能なタイミングであるか否かを判定する。アンテナ制御部３４は、移動中継局２と通信可能なタイミングであると判定した場合、移動中継局２と通信可能なアンテナ３３によりデータを送信させる。

図４は、第２の実施形態における端末局３ａが行うデータ送信処理の流れを示すフローチャートである。図４の処理は、定期的に実行されてもよいし、移動中継局２が端末局３ａに近い位置に来るタイミングから実行されてもよい。

アンテナ制御部３４ａは、記憶部３１ａを参照し、送信対象となるデータがあるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。送信対象となるデータがない場合（ステップＳ２０１－ＮＯ）、端末局３ａは図４の処理を終了する。

一方、送信対象となるデータがある場合（ステップＳ２０１－ＹＥＳ）、アンテナ制御部３４ａは最新の動き情報を取得する（ステップＳ２０２）。アンテナ制御部３４ａは、センサ３５に対して動き情報の取得を指示して最新の動き情報を取得してもよいし、アンテナ制御部３４ａが最後に取得した動き情報を最新の動き情報として取得してもよい。

アンテナ制御部３４ａは、最新の位置情報を取得する（ステップＳ２０３）。アンテナ制御部３４ａは、位置情報取得部３６に対して位置情報の取得を指示して最新の位置情報を取得してもよいし、アンテナ制御部３４ａが最後に取得した位置情報を最新の位置情報として取得してもよい。

アンテナ制御部３４ａは、取得した動き情報と、位置情報とに基づいてアンテナ３３の方向を推定する（ステップＳ２０４）。その後、アンテナ制御部３４ａは、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３ａの位置情報と、推定したアンテナ３３の方向の情報とに基づいて、通信可能なタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。

具体的には、まずアンテナ制御部３４ａは、ＬＥＯ衛星の軌道情報に基づいて、通信可能なタイミングであるか否かの判定時点における移動中継局２の位置を推定する。次に、アンテナ制御部３４ａは、端末局３ａの位置情報と、判定したアンテナ３３の方向の情報とを用いて、推定した移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３の有無を判定する。

移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３がない場合、アンテナ制御部３４ａは通信可能なタイミングではないと判定する。
一方、移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３がある場合、アンテナ制御部３４ａは通信可能なタイミングであると判定する。

通信可能なタイミングではないと判定した場合（ステップＳ２０５－ＮＯ）、アンテナ制御部３４は通信可能なタイミングとなるまでステップＳ２０２からステップＳ２０４までの処理を繰り返す。
一方、通信可能なタイミングである場合（ステップＳ２０５－ＹＥＳ）、アンテナ制御部３４ａは移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３からデータを送信させる指示を送信部３２に出力する。このように、アンテナ制御部３４ａは、決定したアンテナ３３の向いている方向を、移動中継局への指向性が最適になるような方向として決定する。

送信部３２は、記憶部３１からセンサデータを端末送信データとして読み出す。送信部３２は、読み出した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３３から無線により送信する（ステップＳ２０６）。

以上のように構成された無線通信システム１ａによれば、端末局３ａの位置情報と、端末局３ａの動き情報とに基づいて、アンテナ３３が向いている方向が判定される。そして、端末局３ａは、アンテナ３３が向いている方向が、移動中継局２と通信可能な方向であるか否かを判定する。そして、端末局３ａは、アンテナ３３が向いている方向が、移動中継局２と通信可能な方向である場合に、移動中継局２が位置する方向に指向性を有するアンテナ３３で端末アップリンク信号の送信を行う。このように、端末局３ａが、動揺の影響を受ける場所に設置されている場面で利用された場合であっても移動中継局２との間で通信ができる。また、従来のように、移動中継局２と常時通信しなくてもよい。さらに、アンテナに追尾機構を備えていなくてもよい。そのため、安価なＩｏＴ端末であっても移動中継局２と効率よく通信を行うことが可能になる。

（第２の実施形態における変形例）
上記の実施形態では、１台の端末局３ａに１つのアンテナ３３を備える構成を示したが、１台の端末局３ａに複数のアンテナ３３が備えられてもよい。このように構成される場合、アンテナ制御部３４ａは、第１の実施形態における通信可能なタイミングの判定時に動き情報を加味して、移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３の有無を判定する。具体的には、アンテナ制御部３４ａは、記憶部３１ａに記憶されているアンテナ情報と、取得された端末局３ａの位置情報と、取得された端末局３ａの動き情報とを用いて、推定した移動中継局２の位置の方向を向いているアンテナ３３の有無を判定する。その後の処理は、第１の実施形態と同様である。
このように構成されることによって、アンテナ３３を備えている場合よりも、移動中継局２と通信できる確率を上げることができる。そのため、通信効率を向上させることが可能になる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、端末局を、移動中継局への指向性が最適になるような方向に向けて設置するための情報を出力することによって、通信効率を向上させる構成について説明する。

図５は、第３の実施形態による無線通信システム１ｂの構成図である。図５において、図１に示す第１の実施形態における無線通信システム１と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。無線通信システム１ｂは、移動中継局２と、端末局３ｂと、基地局４とを有する。

端末局３ｂは、移動中継局２と間で通信を行う前に設置位置が決定される。端末局３ｂは、設置位置が決定されて、特定の場所に設置された後に移動中継局２との間で通信が行われる。第３の実施形態におけるデータ送信処理は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様でよい。

図５では示していないが、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の方法でデータ送信処理を行う場合には、端末局３ｂは第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の構成も有する。この場合、端末局３ｂは、設置モード及び送信モードの機能を有する。設置モードは、端末局３ｂの設置に関する情報を出力するモードである。送信モードは、第１の実施形態又は第２の実施形態のようにデータ送信処理を実行するモードである。設置モード及び送信モードは、不図示のボタンで切替可能である。以下では、端末局３ｂが設置モードである場合について説明する。

端末局３ｂは、記憶部３１ｂと、送信部３２と、１つのアンテナ３３と、位置情報取得部３６と、方位情報取得部３７、アンテナ方向決定部３８及び情報出力部３９を備える。
記憶部３１ｂは、ＬＥＯ衛星の軌道情報及びセンサデータなどを記憶する。記憶部３１ｂは、位置情報取得部３６によって取得される各時刻における位置情報や方位情報取得部３７によって取得される各時刻における方位の情報を記憶してもよい。

位置情報取得部３６は、端末局３ｂの位置情報を取得する。例えば、位置情報取得部３６は、ＧＰＳシステムにより端末局３ｂの位置情報を取得する。

方位情報取得部３７は、端末局３ｂのアンテナ３３が向いている方位情報を取得する。例えば、方位情報取得部３７は、コンパス機能のアプリケーション又は方位磁石である。方位情報は、例えば、アンテナ３３が向いている方角を表す情報である。

アンテナ方向決定部３８は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、端末局３ｂの位置情報と、方位情報とに基づいて、端末局３ｂを移動中継局２への指向性が最適になるような方向を決定する。上記のように、移動中継局２への指向性が最適になるような方向とは、移動中継局２の可視時間が最大となる方向（角度）である。そのため、アンテナ方向決定部３８は、移動中継局２の可視時間が最大となる方向を決定する。以下、アンテナ方向決定部３８が決定した方向に関する情報を、アンテナ方向情報と記載する。

情報出力部３９は、アンテナ方向決定部３８によって決定されたアンテナ方向情報を出力する。例えば、情報出力部３９は、通信により外部装置に対してアンテナ方向情報を送信してもよいし、端末局３ｂが表示装置を備えている場合には表示装置にアンテナ方向情報を表示させてもよい。

図６は、第３の実施形態における端末局３ｂが行うアンテナ方向情報出力処理の流れを示すフローチャートである。図６の処理は、設置モード時においてユーザから指示がなされたタイミングで実行される。
アンテナ方向決定部３８は、最新の位置情報を取得する（ステップＳ３０１）。アンテナ方向決定部３８は、位置情報取得部３６に対して位置情報の取得を指示して最新の位置情報を取得してもよいし、アンテナ方向決定部３８が最後に取得した位置情報を最新の位置情報として取得してもよい。

アンテナ方向決定部３８は、最新の方位情報を取得する（ステップＳ３０２）。アンテナ方向決定部３８は、方位情報取得部３７に対して動き情報の取得を指示して最新の方位情報を取得してもよいし、アンテナ方向決定部３８が最後に取得した方位情報を最新の方位情報として取得してもよい。

アンテナ方向決定部３８は、取得した最新の位置情報及び最新の方位情報と、ＬＥＯ衛星の軌道情報とに基づいて、端末局３ｂが移動中継局２からの信号を見通し環境で受信できる最低仰角を設定する（ステップＳ３０３）。最低仰角は、アンテナ方向決定部３８によって通信可能な角度を検出してもよいし、衛星サービスの固定パラメータとして予め定められていてもよい。

次に、アンテナ方向決定部３８は、移動中継局２の全パスにおいて、最低仰角以上の仰角を満たす衛星可視時間における移動中継局２の方位角の確率密度関数を算出する（ステップＳ３０４）。移動中継局２の全パスとは、移動中継局２の地球周回軌道を表す。移動中継局２の全パスは、端末局３から見ると、地上から移動中継局２を見たときの移動中継局２の移動パターンを表す。移動中継局２と地球の位置関係が最終的に元に戻るような周期性を有する軌道を描く場合、移動中継局２が地球の周辺を一回りする軌道が「１パス」となる。

アンテナ方向決定部３８は、移動中継局２の方位角の確率密度関数に基づいて図７に示す分布５０を得る。図７において横軸は方位角を表し、縦軸は確率密度関数を表す。アンテナ方向決定部３８は、分布５０と、端末局３ｂのアンテナ３３の半値幅５１とに基づいて、半値幅５１に含まれる区間の積分値を方位角毎に算出する（ステップＳ３０５）。アンテナ３３の半値幅５１は、予め測定されているものである。アンテナ方向決定部３８は、アンテナ３３の半値幅５１の情報を予め保持しているものとする。

具体的な処理として、アンテナ方向決定部３８は、ある方位角を中心角度とし、その中心角度の位置を中心とした半値幅５１の区間の積分値を方位角毎に算出する。例えば、中心角度が１８０°である場合、アンテナ方向決定部３８は、１８０°の位置を中心とした半値幅５１の区間の積分値を算出する。アンテナ方向決定部３８は、この処理を方位角０°～３６０°の範囲で中心角度を変更しながら算出する。中心角度を変更する粒度は、予め設定されていればよい。例えば、中心角度を変更する粒度は、１°でもよい。中心角度を変更する粒度が１°である場合、アンテナ方向決定部３８は３６０個の積分値を算出する。

アンテナ方向決定部３８は、算出した積分値のうち、積分値が最大となる中心角度を最適な方向として決定する（ステップＳ３０６）。すなわち、積分値が最大となる中心角度が１８０°である場合、アンテナ方向決定部３８は１８０°の方向を最適な方向として決定する。アンテナ方向決定部３８は、決定した最適な方向に関する情報をアンテナ方向情報として情報出力部３９に出力する。

情報出力部３９は、アンテナ方向決定部３８から出力されたアンテナ方向情報を出力する（ステップＳ３０７）。例えば、情報出力部３９は、アンテナ方向情報を外部の装置に送信する。例えば、端末局３ｂが表示装置を備えている場合には、情報出力部３９は、アンテナ方向情報を表示装置に表示させる。

以上のように構成された無線通信システム１ｂによれば、端末局３ｂの設置前にアンテナ３３の利得が最も得られる方向を決定することができる。これにより、実際の通信時において通信品質を向上させることができる。そのため、安価な端末であっても移動中継局２と効率よく通信を行うことが可能になる。

（第３の実施形態における変形例）
上記の実施形態では、最低仰角以上の仰角を満たす衛星可視時間における移動中継局２の方位角の確率密度関数を算出する構成を示したが、最低受信電力を超える衛星可視時間における移動中継局２の方位角の確率密度関数を用いてもよい。この場合においても、アンテナ方向決定部３８は上記の実施形態と同様に積分値を方位角毎に算出する。

アンテナ方向決定部３８は、方位角の確率密度関数の最大値となる方位角に基づいて得られる方向を、最適な方向として決定してもよい。
アンテナ方向決定部３８は、確率密度関数ではなく、瞬間でも最大電力を受けることができる角度を最適な方向として決定してもよい。

上述した実施形態におけるアンテナ制御部３４，３４ａ、アンテナ方向決定部３８及び情報出力部３９の処理をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、移動中継局が搭載される移動体と通信を行う技術に適用できる。

１、１ａ、１ｂ…無線通信システム，
２…移動中継局，
３、３ａ、３ｂ…端末局，
４…基地局，
２１…アンテナ，
２２…端末通信部，
２３…データ記憶部，
２４…基地局通信部，
２５…アンテナ，
３１、３１ａ、３１ｂ…記憶部，
３２…送信部，
３３…アンテナ，
３４、３４ａ…アンテナ制御部（アンテナ方向決定部），
３５…センサ，
３６…位置情報取得部，
３７…方位情報取得部，
３８…アンテナ方向決定部，
３９…情報出力部，
４１…アンテナ，
４２…受信部，
４３…基地局信号受信処理部，
４４…端末信号受信処理部，
２２１…受信部，
２２２…受信波形記録部，
２４１…記憶部，
２４２…制御部，
２４３…送信データ変調部，
２４４…送信部，

Claims (6)

1. 指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおけるアンテナ方向決定方法であって、
   前記通信装置の設置時における前記アンテナの方向を決定するための設置モードと、データ送信を行う送信モードとを有し、
   前記設置モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記通信装置の設置前の位置において前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定し、前記送信モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定する決定ステップ、
   を有するアンテナ方向決定方法。
2. 前記通信装置が前記アンテナを複数備え、
   複数のアンテナはそれぞれ異なる方向に指向性を有し、
   前記決定ステップにおいて、前記中継装置の軌道情報に基づいて前記中継装置の位置を推定し、前記通信装置の位置情報と前記アンテナの指向性の方向に関する情報とを用いて決定される方向のうち、推定した前記中継装置の位置の方向に指向性を有するアンテナの方向を、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向として決定する、
   請求項１に記載のアンテナ方向決定方法。
3. 前記通信装置が動揺の影響を受ける場所に設置され、
   前記通信装置の動き情報を取得する動き情報取得ステップをさらに有し、
   前記決定ステップにおいて、前記中継装置の軌道情報に基づいて前記中継装置の位置を推定し、推定した前記中継装置の位置の方向を、前記動き情報と前記位置情報とを用いて推定される前記アンテナの指向性の方向が向いている場合に、前記アンテナの指向性の方向を、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向として決定する、
   請求項１に記載のアンテナ方向決定方法。
4. 前記アンテナの指向性の方向に関する方位情報を取得する方位情報取得ステップをさらに有し、
   前記決定ステップにおいて、前記中継装置の軌道情報と、前記位置情報と、前記方位情報とに基づいて、所定の条件を満たす前記中継装置の方位角の確率密度関数を算出し、算出した前記方位角の確率密度関数の最大値となる方位角に基づいて得られる方向もしくは前記方位角の確率密度関数の前記アンテナの半値幅の区間積分が最大値となる方位角に基づいて得られる方向、又は、最大電力を受けることができる方向を、前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向として決定する、
   請求項１に記載のアンテナ方向決定方法。
5. 指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムであって、
   前記通信装置の設置時における前記アンテナの方向を決定するための設置モードと、データ送信を行う送信モードとを有し、
   前記設置モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記通信装置の設置前の位置において前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定し、前記送信モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定するアンテナ方向決定部、
   を備える無線通信システム。
6. 指向性を有するアンテナを備える通信装置と、移動する中継装置とを有する無線通信システムにおける通信装置であって、
   前記通信装置の設置時における前記アンテナの方向を決定するための設置モードと、データ送信を行う送信モードとを有し、
   前記設置モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記通信装置の設置前の位置において前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定し、前記送信モード時には前記通信装置の位置情報、前記中継装置の軌道情報及び前記アンテナの指向性の方向に関する情報に基づいて前記アンテナの前記中継装置への指向性が最適になるような方向を決定するアンテナ方向決定部、
   を備える通信装置。

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