WO2010058714A1 - 衛星通信システム及びそのカバレッジエリア分割方法 - Google Patents

衛星通信システム及びそのカバレッジエリア分割方法 Download PDF

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WO2010058714A1
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coverage area
cell
satellite communication
coordinate
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山本　伸一
西野　有
内藤　出
小西　善彦
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/14—Relay systems
    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/204—Multiple access
    • H04B7/2041—Spot beam multiple access

Definitions

  • the present invention relates to a satellite communication system that covers a coverage area that is a communication target area in which cells having different sizes or shapes are mixed and a frequency repetition pattern is established.
  • the coverage area is divided into regular hexagonal cells in an idealized form, and different channels are used for adjacent cells, thereby reducing co-channel interference and adjacent channel interference (for example, , See Patent Document 1).
  • the coverage area dividing method in the conventional frequency repetition pattern as described above is divided into regular hexagons having the same cell shape, and if the cell size or shape is variable depending on the location, the cell adjacency relationship cannot be maintained. There was a problem that the frequency repetition pattern was not established.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to employ a coverage area dividing method in which cells having different sizes or shapes are mixed in a coverage area and a frequency repetition pattern is established. A satellite communication system is obtained.
  • a satellite communication system is a satellite communication system that performs communication between a satellite and a plurality of earth stations, and the satellite includes a plurality of beams in directions for each cell obtained by dividing a coverage area that is a communication target area.
  • the beam forming device defines an outer periphery of the coverage area, and divides the coverage area into a plurality of small areas
  • a coordinate grid of the second coordinate system is defined, and a regular hexagonal basic cell arranged such that each side and each vertex touch each other in the first coordinate system, or a circular basic that is a circumscribed circle of the regular hexagon
  • a cell boundary coordinate is calculated, and the coordinate of the boundary of the basic cell in the first coordinate system is transformed into the coordinate of the boundary of the second coordinate system to convert a plurality of new cells.
  • the appropriate amplitude to a plurality of antenna elements and sets the phase.
  • the satellite communication system according to the present invention has an effect that cells having different sizes or shapes are mixed in a coverage area and a frequency repetition pattern is established.
  • FIGS. 1 is a diagram showing a satellite communication system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • the satellite communication system includes a satellite (artificial satellite) 100 and a plurality of earth stations (receiving stations on the earth) 200.
  • Satellite 100 transmits beam 110 to a plurality of earth stations 200.
  • the plurality of earth stations 200 are physically separated from each other on the earth, and exist in different directions when viewed from the satellite 100.
  • By changing the radiation direction of the beam 110 by the satellite 100 it is possible to communicate simultaneously with the plurality of beams 110 (with the earth station 200 in a plurality of directions). This is called multi-beam satellite communication.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the satellite of the satellite communication system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the satellite 100 is provided with a beam forming apparatus 101 that forms a plurality of beams in the direction of each cell obtained by dividing a coverage area that is a communication target area, a plurality of antenna elements 102, and the like.
  • the beam forming apparatus 101 forms a beam 110 in a desired direction by setting appropriate amplitude and phase for the plurality of antenna elements 102. Further, the shape of the beam 110 can be changed by the setting of the beam forming apparatus 101. In FIG. 2, the beam 110 is depicted as directly radiating, but the beam 110 emitted from the antenna element 102 may be transmitted to the ground via a reflecting mirror (such as a parabola).
  • a reflecting mirror such as a parabola
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation (coverage area dividing method) of the satellite beam forming apparatus of the satellite communication system according to the first embodiment of the present invention.
  • the beam forming apparatus 101 defines the outer periphery of the coverage area to be divided. For example, it may be defined by a point on the ground given by latitude and longitude, or may be defined by an elevation angle and an azimuth angle viewed from an antenna.
  • the coordinates of the outer periphery are determined and defined at predetermined intervals so that the coverage area can be specified.
  • a coordinate grid is defined so as to divide the coverage area into smaller areas.
  • a two-dimensional coordinate system such as a polar coordinate system can basically be defined by two parameters, and the locus when one variable is fixed and only the other variable is changed is a coordinate grid (for example, a half line and a straight line). Yen).
  • the interval of the coordinate grid is constant, the cell array excluding enlargement or reduction as a whole is not changed by coordinate conversion.
  • a small cell is converted when the interval of the coordinate grid is narrow, and a large cell is converted when the interval is wide. In the case where there are a narrow area and a wide area where the coordinate grid interval is small, the cell gradually changes from a small cell to a large cell.
  • a regular hexagon is arranged so that each side and vertex touch each other, and this is used as a basic cell.
  • a circle circumscribing the regular hexagon may be substituted.
  • an equilateral triangle arrangement of circular cells is formed, and some of the circular cells overlap.
  • the overall aspect ratio of the regular hexagonal and circular basic cell arrays may be changed, or the whole may be inclined.
  • the coordinate system defining the basic cell may be, for example, a point on the ground indicated by latitude and longitude, or an elevation angle and an azimuth angle viewed from an antenna. If the coordinate system is almost similar to the Cartesian coordinate system (xy coordinate system), the definition of the cell is easy. Further, for example, in the Cartesian coordinate system, the coordinates of the boundary between a certain basic cell and the adjacent basic cell are calculated.
  • step 304 the coordinate value of the boundary of the basic cell is transformed into the coordinate value of the boundary of the coordinate system of the defined coordinate grid to define a new cell (converted cell). Since coordinate conversion changes the coordinates continuously, the adjacency relationship of the basic cell array which is the pattern before conversion in step 303 is maintained. In the basic cell array, if the frequency repetition number and cell adjacent distance (adjacent, next adjacent, next adjacent, etc.) are properly selected, the basic cell array adjacency is maintained, and the frequency repetition pattern is used as it is. be able to. Since arbitrary coordinate transformation can be used, appropriate coordinate transformation may be used depending on the shape of the target cell array.
  • the beam forming apparatus 101 sets appropriate amplitudes and phases in the plurality of antenna elements 102 so as to form a plurality of beams in the directions of a plurality of new cells (converted cells).
  • the execution order of each step in the flowchart of FIG. 3 is an example, and the order may be changed.
  • a basic cell is created (step 303)
  • a coordinate grid is defined (step 302)
  • coordinate transformation step 304
  • a coverage area is defined (step 301)
  • one of the transformed cell arrays is defined. It is also possible to cut out the part as a cell in the coverage area.
  • the number of users (or total communication capacity) is limited for each cell, and it is desirable that the number of users (or total communication traffic) for each cell be approximately the same. For example, it is desirable to use a small cell in an area where communication is dense such as an urban area, and a large cell in an area where communication density is low such as a sea area.
  • the cell size can be changed according to communication traffic.
  • each cell When constructing a communication system with a basic cell array, each cell is covered with a circular beam (or a beam close to a circle), and since all the cells are the same size, the gain for covering the cells is about the same. . In a small cell, since the transmission power of the beam covering the cell can be concentrated in a narrow area, it is possible to increase the gain of the antenna and to cope with a high communication traffic density.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the coverage area and the coordinate grid of the satellite communication system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 5 and 6 are diagrams showing a basic cell arrangement of the satellite communication system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a cell array obtained by coordinate conversion of the satellite communication system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is an example of the coverage area 3 defined in step 301 and the coordinate grid defined in step 302.
  • the grid In the vicinity of the coordinate origin, the grid is close to a Cartesian coordinate system (xy coordinate system), and in the negative area (lower part) of the y ′ axis of the converted coordinate system, both are combined in a coordinate system close to the polar coordinate system. It is a coordinate system.
  • FIG. 5 shows the arrangement of the basic cells 6 in the regular hexagon (solid line) created in step 303, and the circular basic cell 7 is shown by a broken line circumscribing the regular hexagon.
  • FIGS. 5 and 6 are replaced with a circle circumscribing the regular hexagon of FIG. 5, and either of FIGS. 5 and 6 may be adopted as the basic cell. Further, the basic cell may be deformed by arbitrarily enlarging or reducing the vertical and horizontal directions of FIGS. 5 and 6 or by inclining the whole.
  • FIG. 7 shows the new cell array whose coordinates have been converted in step 304. Since the upper part is a lattice coordinate system, it is equivalent to the basic cell array created in step 303 (for example, cell 8a). On the other hand, in the lower part of the coordinate system after conversion, the cell size is large (for example, the cell 8b) because the coordinate system is a polar coordinate system in which the interval of the coordinate grid is large. In any cell, it is converted on the coordinate grid, and the adjacent relationship in which six cells are arranged around one cell is maintained.
  • coordinate conversion between general coordinate systems is used, but in this second embodiment, coordinate conversion between orthogonal coordinate systems is used.
  • Coordinate conversion formulas for converting from one orthogonal coordinate system to another are well known and can be easily converted.
  • Cartesian coordinate transformation is transformation from a Cartesian coordinate system to a polar coordinate system, from a Cartesian coordinate system to an elliptical coordinate system, from a Cartesian coordinate system to a parabolic coordinate system, from a Cartesian coordinate system to a bipolar coordinate system, or the like.
  • FIG. 8 is a diagram showing a polar coordinate system in the coverage area dividing method of the satellite communication system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • ⁇ constant half line 10 protrudes radially from the pole 9
  • r constant curve 11 is a concentric circle centered on the pole 9.
  • FIG. 9 is a diagram showing a coordinate-converted cell array of the satellite communication system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 9 shows the conversion from ⁇ ⁇ ⁇ x and r ⁇ ⁇ y based on the basic cell array.
  • x and y are the coordinates of the boundary of the basic cell and x ′ and y ′ are the coordinates of the boundary of the cell after the coordinate conversion, the relationship between them is expressed as the following equations (3) and (4).
  • ⁇ and ⁇ are conversion coefficients.
  • a conversion coefficient may be selected according to the target cell shape.
  • the size of the cell is small in the cell close to the pole 9 and large in the cell far from the pole 9.
  • the relationship in which six cells are adjacent to one cell is maintained, and the frequency repetition pattern in the basic cell can be used.
  • Arbitrary basic cell arrays can be used, and in this case as well, the adjacency relationship of the basic cell arrays is maintained even after coordinate conversion.
  • FIG. 10 is a diagram showing an elliptic coordinate system in the coverage area dividing method of the satellite communication system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a coordinate-converted cell array of the satellite communication system according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 11 shows the conversion from v ⁇ ⁇ x and u ⁇ ⁇ y based on the basic cell array.
  • x and y are the coordinates of the boundary of the basic cell
  • x ′ and y ′ are the coordinates of the boundary of the cell after the coordinate conversion
  • the relationship between them is expressed as the following equations (7) and (8).
  • ⁇ and ⁇ are conversion coefficients.
  • a conversion coefficient may be selected according to the target cell shape.
  • x ′ A ⁇ cosh ⁇ ⁇ y ⁇ cos ⁇ ⁇ x (7)
  • y ′ A ⁇ sinh ⁇ ⁇ y ⁇ sin ⁇ ⁇ x (8)
  • the size of the cell is small in the cell close to the focal point 13 and large in the cell far from the focal point 13.
  • the relationship in which six cells are adjacent to one cell is maintained, and the frequency repetition pattern in the basic cell can be used.
  • Arbitrary basic cell arrays can be used, and in this case as well, the adjacency relationship of the basic cell arrays is maintained even after coordinate conversion.
  • u is not the same cell shape on the constant curve 14, but in the region far from the focal point 13, the cell shape is approximately the same in the circumferential direction. This is effective when you want to convert to a small cell locally.
  • FIG. 12 is a diagram showing a parabolic coordinate system in the coverage area dividing method of the satellite communication system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing a coordinate-converted cell array of the satellite communication system according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 13 shows the conversion from v ⁇ ⁇ x and u ⁇ ⁇ y based on the basic cell array.
  • x and y are the coordinates of the boundary of the basic cell and x ′ and y ′ are the coordinates of the boundary of the cell after the coordinate conversion, the relationship between them is expressed as the following equations (11) and (12).
  • ⁇ and ⁇ are conversion coefficients.
  • a conversion coefficient may be selected according to the target cell shape.
  • the cell size is small in the area where u and v are small, and the cell in the area where u and v are large.
  • the relationship in which six cells are adjacent to one cell is maintained, and the frequency repetition pattern in the basic cell can be used.
  • Arbitrary basic cell arrays can be used, and in this case as well, the adjacency relationship of the basic cell arrays is maintained even after coordinate conversion.
  • the coordinate conversion of the fifth embodiment is effective when the change in cell size is substantially uniform and it is desired to change the cell size smoothly.
  • FIG. 14 is a diagram showing a bipolar coordinate system in the coverage area dividing method of the satellite communication system according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing a coordinate-converted cell array of the satellite communication system according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 15 shows the conversion from v ⁇ ⁇ x and u ⁇ ⁇ y based on the basic cell array.
  • x and y are the coordinates of the boundary of the basic cell and x ′ and y ′ are the coordinates of the boundary of the cell after the coordinate conversion, the relationship between them is expressed as in the following equations (15) and (16).
  • ⁇ and ⁇ are conversion coefficients.
  • a conversion coefficient may be selected according to the target cell shape.
  • x ′ A ⁇ sinh ⁇ ⁇ y / (cosh ⁇ ⁇ y ⁇ cos ⁇ ⁇ x)
  • y ′ A ⁇ sin ⁇ ⁇ x / (cosh ⁇ ⁇ y ⁇ cos ⁇ ⁇ x) (16)
  • the cell size is small in the cell close to the pole 20 and large in the cell far from the pole 20.
  • the relationship in which six cells are adjacent to one cell is maintained, and the frequency repetition pattern in the basic cell can be used.
  • Arbitrary basic cell arrays can be used, and in this case as well, the adjacency relationship of the basic cell arrays is maintained even after coordinate conversion.
  • the cell size around the two poles 20 becomes extremely small, which is effective when it is desired to make a large change in the cell size.

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Abstract

　大きさ、は形状の異なるセルが混在し、かつ周波数繰り返しパターンが成立するカバレッジエリア分割方法を採用する衛星通信システムを得る。複数の地球局の間で通信を行う衛星のビーム形成装置は、カバレッジエリアの外周を定義し、カバレッジエリアを複数の小さいエリアに分割するように例えば、極座標系の座標格子を定義し、例えば、デカルト座標系において各辺及び各頂点が互いに接するように配列した正六角形の基本セル、あるいは正六角形の外接円である円形の基本セルの境界の座標を計算し、デカルト座標系における基本セルの境界の座標を極座標系の境界の座標へ座標変換して複数の新しいセルを定義し、複数の新しいセル毎の方向に複数のビームを形成するように、複数のアンテナ素子に適切な振幅、位相を設定する。

Description

衛星通信システム及びそのカバレッジエリア分割方法
　この発明は、大きさまたは形状の異なるセルが混在し、かつ周波数繰り返しパターンが成立する通信対象エリアであるカバレッジエリアをカバーする衛星通信システムに関するものである。
　従来のカバレッジ分割方法は、理想化された形ではカバレッジエリアを正六角形のセルで分割して、隣接セルに異なる周波数等を用いることで、同一チャネル干渉及び隣接チャネル干渉を低減していた（例えば、特許文献１参照）。
　また、直交周波数分離だけ偏移した周波数を用いることによって、干渉を低減しスペクトル効率を高める方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２－４４０００号公報 特開２０００－３６７８３号公報
　上述したような従来の周波数繰り返しパターンにおけるカバレッジエリア分割方法は、セル形状が同一の正六角形で分割しており、場所によりセルサイズまたは形状を可変とすると、セルの隣接関係が保持できなくなるため、周波数繰り返しパターンが成立しなくなるという問題点があった。
　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、カバレッジエリアに大きさまたは形状の異なるセルが混在し、かつ周波数繰り返しパターンが成立するカバレッジエリア分割方法を採用する衛星通信システムを得るものである。
　この発明に係る衛星通信システムは、衛星と複数の地球局の間で通信を行う衛星通信システムであって、前記衛星は、通信対象エリアであるカバレッジエリアを分割したセル毎の方向に複数のビームを形成するビーム形成装置と、このビーム形成装置に接続された複数のアンテナ素子とを設け、前記ビーム形成装置は、前記カバレッジエリアの外周を定義し、前記カバレッジエリアを複数の小さいエリアに分割するように第２の座標系の座標格子を定義し、第１の座標系において各辺及び各頂点が互いに接するように配列した正六角形の基本セル、あるいは前記正六角形の外接円である円形の基本セルの境界の座標を計算し、前記第１の座標系における基本セルの境界の座標を前記第２の座標系の境界の座標へ座標変換して複数の新しいセルを定義し、前記複数の新しいセル毎の方向に複数のビームを形成するように、前記複数のアンテナ素子に適切な振幅、位相を設定するものである。
　この発明に係る衛星通信システムは、カバレッジエリアに大きさまたは形状の異なるセルが混在し、かつ周波数繰り返しパターンが成立するという効果を奏する。
この発明の実施例１に係る衛星通信システムを示す図である。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムの衛星の構成を示す図である。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムの衛星のビーム形成装置の動作（カバレッジエリア分割方法）を示すフローチャートである。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムのカバレッジエリア及び座標格子の一例を示す図である。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムの正六角形の基本セル配列を示す図である。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムの円形の基本セル配列を示す図である。 この発明の実施例１に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。 この発明の実施例３に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における極座標系を示す図である。 この発明の実施例３に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。 この発明の実施例４に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における楕円座標系を示す図である。 この発明の実施例４に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。 この発明の実施例５に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における放物座標系を示す図である。 この発明の実施例５に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。 この発明の実施例６に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における二極座標系を示す図である。 この発明の実施例６に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　この発明の実施例１～実施例６について以下説明する。
　この発明の実施例１に係る衛星通信システムについて図１から図７までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムを示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
　図１において、この発明の実施例１に係る衛星通信システムは、衛星（人工衛星）１００と、複数の地球局（地球上の受信局）２００とが設けられている。
　衛星１００は、複数の地球局２００向けてビーム１１０を送信する。衛星１００が受信の場合も同様であり、地球局２００側からビームを送信する。複数の地球局２００は、互いに地球上で物理的に離れており、衛星１００から見ると異なる方向に存在する。衛星１００でビーム１１０の放射方向を変えることにより、複数のビーム１１０で（複数方向の地球局２００と）同時に通信することができる。これをマルチビーム衛星通信という。
　図２は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムの衛星の構成を示す図である。
　図２において、衛星１００は、通信対象エリアであるカバレッジエリアを分割したセル毎の方向に複数のビームを形成するビーム形成装置１０１と、複数のアンテナ素子１０２などが設けられている。
　ビーム形成装置１０１は、複数のアンテナ素子１０２に適切な振幅、位相を設定することにより、所望の方向にビーム１１０を形成する。また、ビーム形成装置１０１の設定により、ビーム１１０の形状も変えることができる。なお、図２では、ビーム１１０を直接放射するように描かれているが、アンテナ素子１０２から出たビーム１１０を、反射鏡（パラボラ等）を介して地上に送信してもよい。
　つぎに、この実施例１に係る衛星通信システムの衛星のビーム形成装置の動作について図面を参照しながら説明する。
　図３は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムの衛星のビーム形成装置の動作（カバレッジエリア分割方法）を示すフローチャートである。
　まず、ステップ３０１において、ビーム形成装置１０１は、分割対象となるカバレッジエリアの外周を定義する。例えば、緯度及び経度で与えられた地上の点で定義してもよいし、アンテナから見込んだ仰角及び方位角で定義してもよい。カバレッジエリアを特定できるように、外周の座標（緯度及び経度や、仰角及び方位角）を所定の間隔で決めて定義する。
　次に、ステップ３０２において、カバレッジエリアを小さいエリアに分割するように座標格子を定義する。例えば、極座標系のような二次元の座標系は基本的に２つの媒介変数によって定義でき、一方の変数を固定しもう一方の変数のみを変化したときの軌跡が座標格子（例えば、半直線及び円）となる。座標格子の間隔が一定の場合、座標変換によって全体的に拡大または縮小を除くセル配列は変化しない。一方、座標格子の間隔が狭い場合に小さいセル、間隔が広い場合に大きいセルに変換される。座標格子の間隔が狭い領域と広い領域がある場合、小さいセルから大きいセルに段階的に変化することになる。
　次に、ステップ３０３において、例えば、デカルト座標系において、正六角形を各辺及び頂点が接するように配置し、これを基本セルとする。このとき、正六角形の代わりに正六角形に外接する円形で代用してもよい。その場合、円形セルの正三角形配列となり、円形セルの一部が重複する。また、正六角形、円形の基本セル配列の全体の縦横の比を変えたり、全体を傾斜させたりしてもよい。基本セルを定義する座標系は、例えば、緯度及び経度で示された地上の点でもよいし、アンテナから見込んだ仰角及び方位角でもよい。概ねデカルト座標系（ｘｙ座標系）に近い座標系であれば、セルの定義が容易である。また、例えば、デカルト座標系において、ある基本セルと隣接する基本セルの境界の座標を計算する。
　最後に、ステップ３０４において、基本セルの境界の座標値を、定義した座標格子の座標系の境界の座標値へ座標変換して新しいセル（変換したセル）を定義する。座標変換は座標を連続で変化させるため、ステップ３０３における変換前のパターンである基本セル配列の隣接関係が維持される。基本セル配列において、周波数繰り返し数、セル隣接距離（隣接、次隣接、次々隣接等）を適切に選んでおけば、基本セル配列の隣接関係を維持しているため、そのままの周波数繰り返しパターンを使うことができる。任意の座標変換が使えるので、目的のセル配列の形状によって適切な座標変換を用いればよい。
　そして、ビーム形成装置１０１は、複数の新しいセル（変換したセル）毎の方向に複数のビームを形成するように、複数のアンテナ素子１０２に適切な振幅、位相を設定する
　図３のフローチャートにおける各ステップの実行順序は一例であり、順序を変えてもよい。例えば、最初に基本セルを作成（ステップ３０３）、座標格子を定義し（ステップ３０２）、座標変換（ステップ３０４）した後で、カバレッジエリアを定義（ステップ３０１）し、変換されたセル配列の一部をカバレッジエリア内のセルとして切り出すことも可能である。
　通常、セル毎にユーザ数（またはトータルの通信容量）が制限されており、セル毎のユーザ数（または総通信トラフィック）は同程度とするのが望ましい。例えば、都市部等の通信が過密なエリアでは小さいセルで、海域等の通信の密度が低いエリアでは大きなセルとするのが望ましい。この発明のカバレッジ分割方法では、通信トラフィックに応じてセルサイズを変更することが可能である。
　基本セル配列で通信システムを構築する場合、円形ビーム（または円形に近いビーム）で各セルをカバーすることになり、全てのセルが同サイズであるため、セルをカバーする利得も同程度となる。小さいセルでは、そのセルを覆うビームの送信電力を狭いエリアに集中できるので、アンテナの利得を大きくすることが可能であり、高い通信トラフィック密度に対応できる効果もある。
　図４は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムのカバレッジエリア及び座標格子の一例を示す図である。図５及び図６は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムの基本セル配列を示す図である。図７は、この発明の実施例１に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　図４は、ステップ３０１において定義したカバレッジエリア３と、ステップ３０２で定義した座標格子の一例である。ｕ、ｖの２つの媒介変数で定義し、それぞれ一方のみを変化させた場合の曲線（破線）４（ｕ＝一定の曲線）、５（ｖ＝一定の曲線）を示す。座標原点付近ではデカルト座標系（ｘｙ座標系）に近い格子状になっており、変換後の座標系のｙ’軸の負の領域（下部）では、極座標系に近い座標系で両者を組み合わせた座標系となっている。
　図５は、ステップ３０３で作成した正六角形（実線）による基本セル６の配列を示したものであり、その正六角形に外接する破線で示すものが円形の基本セル７である。
　図６は、図５の正六角形に外接する円で置き換えたものであり、基本セルとしては図５、図６のどちらを採用してもよい。さらに図５、図６の縦横を任意に拡大または縮小したり、全体的に傾斜させたりして、基本セルを変形してもよい。
　図７は、ステップ３０４において座標変換した新しいセル配列を示したものである。上部は格子状の座標系であるため、ステップ３０３で作成した基本セル配列と同等である（例えば、セル８ａ）。一方、変換後の座標系の下部では座標格子の間隔が大きくなる極座標系のような座標系であるため、セルサイズが大きくなっている（例えば、セル８ｂ）。いずれのセルにおいても、座標格子上に変換されており、１つのセルの周辺に６つのセルが配置される隣接関係は維持されている。
　この発明の実施例２に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における座標変換について説明する。
　上記の実施例１では、一般的な座標系間の座標変換を用いるものであるが、この実施例２では、直交座標系間の座標変換を用いる。ある直交座標系から別の直交座標系に変換する座標変換式はよく知られており、容易に変換可能である。例えば、直交座標変換は、デカルト座標系から極座標系へ、デカルト座標系から楕円座標系へ、デカルト座標系から放物座標系へ、デカルト座標系から二極座標系へ等の変換である。
　この発明の実施例３に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における座標変換について図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施例３に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における極座標系を示す図である。
　図８の極座標系において、θ＝一定の半直線１０が極９から放射状に出ており、ｒ＝一定の曲線１１が極９を中心とする同心円となる。
　デカルト座標系（ｘｙ座標系）と図８の極座標系の間の関係は、次の式（１）、（２）のように表される。
ｘ＝ｒ・ｃｏｓ・θ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
ｙ＝ｒ・ｓｉｎ・θ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　図９は、この発明の実施例３に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　この図９は、基本セル配列をもとに、θ→βｘ、ｒ→αｙと変換したものである。ｘ、ｙを基本セルの境界の座標、ｘ’、ｙ’を座標変換後のセルの境界の座標とすると、両者の関係は、次の式（３）、（４）のように表される。ここで、α、βは変換係数である。目的のセル形状に合わせて、変換係数を選べばよい。
ｘ’＝αｙ・ｃｏｓ・βｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
ｙ’＝αｙ・ｓｉｎ・βｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
　セルの大きさは、極９に近いセルは小さく、極９から離れたセルでは大きくなっていることが分かる。一方、１つのセルに対し６つのセルが隣接する関係は維持されており、基本セルにおける周波数繰り返しパターンを用いることができる。任意の基本セル配列を用いることができ、その場合も基本セル配列の隣接関係は座標変換後も維持される。この実施例３の座標変換では、極座標系のｒ＝一定の曲線１１上で同じセル形状であり、周方向で同一のセルを用いる場合に有効である。
　この発明の実施例４に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における座標変換について図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施例４に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における楕円座標系を示す図である。
　図１０は、楕円座標系であり、ｕ、ｖの２つの媒介変数によって表現される直交座標系である。ｘ’＝±Ａに焦点１３を有する楕円（ｕ＝一定の曲線１４）及び双曲線（ｖ＝一定の曲線１５）により構成される。
　デカルト座標系と図１０の楕円座標系の間の関係は、次の式（５）、（６）のように表される。
ｘ＝Ａ・ｃｏｓｈ・ｕ・ｃｏｓ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　（５）
ｙ＝Ａ・ｓｉｎｈ・ｕ・ｓｉｎ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　（６）
　図１１は、この発明の実施例４に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　この図１１は、基本セル配列をもとに、ｖ→βｘ、ｕ→αｙと変換したものである。ｘ、ｙを基本セルの境界の座標、ｘ’、ｙ’を座標変換後のセルの境界の座標とすると、両者の関係は、次の式（７）、（８）のように表される。ここで、α、βは変換係数である。目的のセル形状に合わせて、変換係数を選べばよい。
ｘ’＝Ａ・ｃｏｓｈ・αｙ・ｃｏｓ・βｘ　　　　　　　　　　　（７）
ｙ’＝Ａ・ｓｉｎｈ・αｙ・ｓｉｎ・βｘ　　　　　　　　　　　（８）
　セルの大きさは、焦点１３に近いセルは小さく、焦点１３から離れたセルでは大きくなっていることが分かる。１つのセルに対し６つのセルが隣接する関係は維持されており、基本セルにおける周波数繰り返しパターンを用いることができる。任意の基本セル配列を用いることができ、その場合も基本セル配列の隣接関係は座標変換後も維持される。この実施例４の座標変換では、焦点１３に近い領域ではｕ＝一定の曲線１４上で同一のセル形状でなく、焦点１３から離れた領域では周方向で概ね同じセル形状となる。局所的に小さいセルに変換したい場合に有効である。
　この発明の実施例５に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における座標変換について図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２は、この発明の実施例５に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における放物座標系を示す図である。
　図１２は、放物座標系であり、ｕ、ｖの２つの媒介変数によって表現される直交座標系である。２組の放物線群（ｕ＝一定の曲線１８及びｖ＝一定の曲線１７）により構成される。
　デカルト座標系と図１２の放物座標系の間の関係は、次の式（９）、（１０）のように表される。
ｘ＝ｕ・ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）
ｙ＝（ｕ２－ｖ２）／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
　図１３は、この発明の実施例５に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　この図１３は、基本セル配列をもとに、ｖ→βｘ、ｕ→αｙと変換したものである。ｘ、ｙを基本セルの境界の座標、ｘ’、ｙ’を座標変換後のセルの境界の座標とすると、両者の関係は、次の式（１１）、（１２）のように表される。ここで、α、βは変換係数である。目的のセル形状に合わせて、変換係数を選べばよい。
ｘ’＝αｘ・βｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）
ｙ’＝（（αｙ）２－（βｘ）２）／２　　　　　　　　　　　（１２）
　セルの大きさは、ｕ、ｖが小さい領域のセルは小さく、ｕ、ｖが大きい領域のセルは大きくなっていることが分かる。１つのセルに対し６つのセルが隣接する関係は維持されており、基本セルにおける周波数繰り返しパターンを用いることができる。任意の基本セル配列を用いることができ、その場合も基本セル配列の隣接関係は座標変換後も維持される。この実施例５の座標変換では、セルの大きさの変化が概ね一様となり、セルの大きさを滑らかに変化させたい場合に有効である。
　この発明の実施例６に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における座標変換について図１４及び図１５を参照しながら説明する。図１４は、この発明の実施例６に係る衛星通信システムのカバレッジエリア分割方法における二極座標系を示す図である。
　図１４は、二極座標系であり、ｕ、ｖの２つの媒介変数によって表現される直交座標系である。極２０を２個有し、それぞれの極２０を取り囲む曲線（ｕ＝一定の曲線２１）及び両極を結ぶ曲線（ｖ＝一定の曲線２２）により構成される。
　デカルト座標系と図１４の二極座標系の間の関係は、次の式（１３）、（１４）のように表される。
ｘ＝Ａ・ｓｉｎｈ・ｕ／（ｃｏｓｈ・ｕ－ｃｏｓ・ｖ）　　　　（１３）
ｙ＝Ａ・ｓｉｎ・ｖ／（ｃｏｓｈ・ｕ－ｃｏｓ・ｖ）　　　　　（１４）
　図１５は、この発明の実施例６に係る衛星通信システムの座標変換したセル配列を示す図である。
　図１５は、基本セル配列をもとに、ｖ→βｘ、ｕ→αｙと変換したものである。ｘ、ｙを基本セルの境界の座標、ｘ’、ｙ’を座標変換後のセルの境界の座標とすると、両者の関係は、次の式（１５）、（１６）のように表される。ここで、α、βは変換係数である。目的のセル形状に合わせて、変換係数を選べばよい。
ｘ’＝Ａ・ｓｉｎｈ・αｙ／（ｃｏｓｈ・αｙ－ｃｏｓ・βｘ）（１５）
ｙ’＝Ａ・ｓｉｎ・βｘ／（ｃｏｓｈ・αｙ－ｃｏｓ・βｘ）　（１６）
　セルの大きさは、極２０に近いセルは小さく、極２０から離れたセルでは大きくなっていることが分かる。１つのセルに対し６つのセルが隣接する関係は維持されており、基本セルにおける周波数繰り返しパターンを用いることができる。任意の基本セル配列を用いることができ、その場合も基本セル配列の隣接関係は座標変換後も維持される。この実施例６の座標変換では、２つの極２０の周辺でのセルの大きさが極端に小さくなるため、セルの大きさに大きな変化をつけたい場合に有効である。
　１　ｘ’軸、２　ｙ’軸、３　カバレッジエリア、４　ｕ＝一定の曲線、５　ｖ＝一定の曲線、６　正六角形の基本セル、７　円形の基本セル、８　新しいセル（変換したセル）、８ａ　変換後の小さなセル、８ｂ　変換後の大きなセル、９　極、１０　θ＝一定の半直線、１１　ｒ＝一定の曲線（同心円）、１２　変換したセル、１３　焦点、１４　ｕ＝一定の曲線、１５　ｖ＝一定の曲線、１６　変換したセル、１７　ｕ＝一定の曲線、１８　ｖ＝一定の曲線、１９　変換したセル、２０　極、２１　ｕ＝一定の曲線、２２　ｖ＝一定の曲線、２３　変換したセル、１００　衛星、１０１　ビーム形成装置、１０２　アンテナ素子、１１０　ビーム、２００　地球局。

Claims (12)

  1. 　衛星と複数の地球局の間で通信を行う衛星通信システムであって、
    　前記衛星は、通信対象エリアであるカバレッジエリアを分割したセル毎の方向に複数のビームを形成するビーム形成装置と、このビーム形成装置に接続された複数のアンテナ素子とを備え、
    　前記ビーム形成装置は、
    　　前記カバレッジエリアの外周を定義し、前記カバレッジエリアを複数の小さいエリアに分割するように第２の座標系の座標格子を定義し、
    　　第１の座標系において各辺及び各頂点が互いに接するように配列した正六角形の基本セル、あるいは前記正六角形の外接円である円形の基本セルの境界の座標を計算し、
    　　前記第１の座標系における基本セルの境界の座標を前記第２の座標系の境界の座標へ座標変換して複数の新しいセルを定義し、
    　　前記複数の新しいセル毎の方向に複数のビームを形成するように、前記複数のアンテナ素子に適切な振幅、位相を設定する
    　ことを特徴とする衛星通信システム。
  2. 　前記第１の座標系は、第１の直交座標系であり、
    　前記第２の座標系は、第２の直交座標系である
    　ことを特徴とする請求項１記載の衛星通信システム。
  3. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、極座標系である
    　ことを特徴とする請求項１記載の衛星通信システム。
  4. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、楕円座標系である
    　ことを特徴とする請求項１記載の衛星通信システム。
  5. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、放物座標系である
    　ことを特徴とする請求項１記載の衛星通信システム。
  6. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、二極座標系である
    　ことを特徴とする請求項１記載の衛星通信システム。
  7. 　通信対象エリアであるカバレッジエリアを分割したセル毎の方向に複数のビームを形成するビーム形成装置、及びこのビーム形成装置に接続された複数のアンテナ素子を備える衛星と複数の地球局の間で通信を行う衛星通信システムにおいて、
    　前記ビーム形成装置によって、
    　　前記カバレッジエリアの外周を定義するステップと、
    　　前記カバレッジエリアを複数の小さいエリアに分割するように第２の座標系の座標格子を定義するステップと、
    　　第１の座標系において各辺及び各頂点が互いに接するように配列した正六角形の基本セル、あるいは前記正六角形の外接円である円形の基本セルの境界の座標を計算するステップと、
    　　前記第１の座標系における基本セルの境界の座標を前記第２の座標系の境界の座標へ座標変換して複数の新しいセルを定義するステップと
    　を含む特徴とするカバレッジエリア分割方法。
  8. 　前記第１の座標系は、第１の直交座標系であり、
    　前記第２の座標系は、第２の直交座標系である
    　ことを特徴とする請求項７記載のカバレッジエリア分割方法。
  9. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、極座標系である
    　ことを特徴とする請求項７記載のカバレッジエリア分割方法。
  10. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、楕円座標系である
    　ことを特徴とする請求項７記載のカバレッジエリア分割方法。
  11. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、放物座標系である
    　ことを特徴とする請求項７記載のカバレッジエリア分割方法。
  12. 　前記第１の座標系は、デカルト座標系であり、
    　前記第２の座標系は、二極座標系である
    　ことを特徴とする請求項７記載のカバレッジエリア分割方法。
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