[go: up one dir, main page]

JP7536234B2 - Multi-beam relay communication system - Google Patents

Multi-beam relay communication system Download PDF

Info

Publication number
JP7536234B2
JP7536234B2 JP2020125179A JP2020125179A JP7536234B2 JP 7536234 B2 JP7536234 B2 JP 7536234B2 JP 2020125179 A JP2020125179 A JP 2020125179A JP 2020125179 A JP2020125179 A JP 2020125179A JP 7536234 B2 JP7536234 B2 JP 7536234B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
antenna
link
relay communication
communication device
user
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020125179A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022021553A (en
Inventor
文枝 小野
龍 三浦
史秀 児島
淳 鈴木
哲美 高盛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Information and Communications Technology
Sky Perfect Jsat Corp
Original Assignee
National Institute of Information and Communications Technology
Sky Perfect Jsat Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Information and Communications Technology, Sky Perfect Jsat Corp filed Critical National Institute of Information and Communications Technology
Priority to JP2020125179A priority Critical patent/JP7536234B2/en
Publication of JP2022021553A publication Critical patent/JP2022021553A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7536234B2 publication Critical patent/JP7536234B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Radio Relay Systems (AREA)

Description

飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナを有する中継用通信機を経由させて、広域に分布する多数のユーザ端末とゲートウェイ局との間で双方向通信を同一の周波数帯を効率よく共用しながら行うマルチビーム中継通信システムに関する。 This relates to a multi-beam relay communication system that is mounted on an air vehicle and efficiently shares the same frequency band to enable bidirectional communication between a large number of user terminals distributed over a wide area and a gateway station via a relay communication device with a multi-beam antenna.

従来より、数千mから数十kmの高高度に無人あるいは有人の航空機を飛行させ、これを通信中継基地として利用し、これよりも低い高度から地上にかけての広い範囲に分布するユーザ端末に対して通信サービスを提供する中継通信システムの実現が期待されている。 Conventionally, there have been hopes for the realization of a relay communication system in which unmanned or manned aircraft are flown at high altitudes of several thousand meters to several tens of kilometers, and used as communication relay bases to provide communication services to user terminals distributed over a wide area from lower altitudes to the ground.

このような中継通信システムを通じて、ユーザ端末と双方向通信接続を行う場合、衛星通信システムが用いられるのが一般的であった。衛星通信システムでは、周波数を再利用することで有効利用を図るために、同時に複数方向に送受信用のアンテナビームを指向させるマルチビームアンテナを用いる場合がある。衛星通信システムでは通信距離が長いため、1つの周波数帯を上り回線と下り回線で共用することが難しいことから、上り回線と下り回線において別々の周波数帯を利用する周波数分割多重方式が用いられる。また衛星とゲートウェイ局とを結ぶフィーダリンクと、衛星とユーザ端末とを結ぶユーザリンクについても別々の周波数帯が配分される。また衛星の姿勢は通常安定度が高く、衛星のマルチビームアンテナが生成するアンテナビームの指向性は高速に制御する必要がなくほぼ固定されている。また衛星のサービスは地表、海面から10km程度までの上空までが対象となるのに対し、衛星の高度は静止衛星で赤道上空36000kmとなるため、衛星からみたサービスエリアの視野角は20°以下となり、また低軌道周回衛星の場合でも視野角は90°以下となる。このため、衛星からみた相対的な方向や位置の違いによる通信品質の差が小さく、より安定した中継通信が実現できる利点もある。 When two-way communication with a user terminal is established through such a relay communication system, a satellite communication system is generally used. In satellite communication systems, a multi-beam antenna that directs antenna beams for transmission and reception in multiple directions at the same time may be used to reuse frequencies for efficient use. Since it is difficult to share one frequency band for both the uplink and downlink in a satellite communication system due to the long communication distance, a frequency division multiplexing method is used that uses different frequency bands for the uplink and downlink. Separate frequency bands are also allocated to the feeder link that connects the satellite to the gateway station and the user link that connects the satellite to the user terminal. In addition, the attitude of a satellite is usually highly stable, and the directivity of the antenna beam generated by the satellite's multi-beam antenna is almost fixed without the need for high-speed control. In addition, while satellite services are available up to about 10 km above the earth's surface and sea level, the altitude of a geostationary satellite is 36,000 km above the equator, so the viewing angle of the service area from the satellite is 20° or less, and even in the case of a low-orbit satellite, the viewing angle is 90° or less. This has the advantage that the difference in communication quality due to differences in relative direction and position from the satellite is small, allowing for more stable relay communication.

非特許文献1には、最近のKa帯(30/20GHz帯)を利用する衛星通信システムの動向がまとめられおり、現在では殆どの衛星通信システムが、マルチビーム通信方式を採用して周波数の有効利用を図っていることが記載されている。この非特許文献1によれば、いかなるKa帯衛星通信システムにおいても、上り回線(地球局から衛星)と、下り回線(衛星から地球局)で別々の異なる周波数帯が用いられている。具体的には、上り回線に30GHz帯、下り回線に20GHz帯が分配されている。 Non-Patent Document 1 summarizes the recent trends in satellite communication systems that use the Ka band (30/20 GHz band), and states that currently most satellite communication systems employ a multi-beam communication method to make effective use of frequencies. According to this document, in any Ka-band satellite communication system, different frequency bands are used for the uplink (from the earth station to the satellite) and the downlink (from the satellite to the earth station). Specifically, the 30 GHz band is allocated to the uplink, and the 20 GHz band is allocated to the downlink.

しかしながら、この衛星通信システムによれば、赤道からの海抜高度が静止衛星は36000km以上、非静止衛星の場合でも海抜高度800km~8000kmとなり、サービスの対象となる地表、海面あるいは海抜高度10km程度までの上空からの距離が非常に遠くなる。このため、同じ周波数帯で双方にて同期をとりながら時間をずらして通信する時分割多重(TDD)方式を採用すると上り回線と下り回線の時間スロットの間に大きなガードタイムを設定する必要が生じ、効率が上げることが困難になる。このため、上り回線と下り回線で同じ周波数帯を共用することが難しいという問題点がある。 However, with this satellite communications system, geostationary satellites are at an altitude of over 36,000 km above sea level from the equator, and even non-geostationary satellites are at an altitude of 800 to 8,000 km above sea level, meaning that the distances from the earth's surface, sea level, or the sky up to an altitude of about 10 km above sea level that are the targets of the service are extremely long. For this reason, if a time division duplex (TDD) method is adopted, in which communication is performed with a time lag while both sides are synchronized on the same frequency band, it becomes necessary to set a large guard time between the time slots of the uplink and downlink, making it difficult to improve efficiency. This poses the problem that it is difficult to share the same frequency band for the uplink and downlink.

また、この非特許文献1には、いかなる衛星システムもユーザリンク(衛星-ユーザ端末間)とフィーダリンク(衛星-事業者地球局間)は、混信を避けるため、あるいはフィーダリンクにはユーザリンクにおける全ての通信トラヒックを収容する必要があるため、広帯域な通信回線が必要となる。このため、この両リンク間には別々の周波数帯を割り当てる手段を採用せざるを得ず、ユーザリンクとは別にフィーダリンク用の周波数チャネルが別途必要になるという問題点があった。 This non-patent document 1 also states that in any satellite system, the user link (between the satellite and the user terminal) and the feeder link (between the satellite and the operator's earth station) require broadband communication lines to avoid interference, or because the feeder link needs to accommodate all communication traffic in the user link. This necessitates the adoption of means to allocate separate frequency bands between these two links, posing the problem of the need for a separate frequency channel for the feeder link in addition to the user link.

なお衛星通信システムは、真空中を慣性で移動するため、姿勢を乱す外乱が大気圏内と比較して極めて小さく、アンテナビーム指向方向の高速な補正制御は必要とされない。また衛星からみた地表、海面、もしくは海抜高度10km程度までのサービスエリアの視野角は静止衛星の場合で最大±9°程度であり、非静止衛星の場合においても46°以内とされている。このため、このサービスエリアをマルチビームでカバーしたとしても、ビーム間での通信品質に元々大きな差は生じにくく、通信品質の一様化技術も必要とされていない。従って、この技術を±60°以上の広角にわたるサービスエリアのユーザ端末を対象とした通信システムに適用した場合、サービスエリアの周縁に位置するユーザ端末に対する通信品質が大きく低下してしまうというと共に、大気圏内を飛行する航空機に中継用通信機を搭載した場合には、姿勢や方向の変動が大きくなり、ユーザ端末やゲートウェイ局における通信品質の変動も大きくなるという問題点があった。 Since satellite communication systems move by inertia in a vacuum, disturbances that disturb attitude are extremely small compared to those in the atmosphere, and high-speed correction control of the antenna beam direction is not required. In addition, the viewing angle of the service area of the earth's surface, sea level, or up to about 10 km above sea level as seen from the satellite is a maximum of about ±9° for geostationary satellites, and is within 46° for non-geostationary satellites. Therefore, even if this service area is covered with multiple beams, there is little difference in communication quality between beams, and there is no need for technology to standardize communication quality. Therefore, if this technology is applied to a communication system for user terminals in a service area with a wide angle of ±60° or more, the communication quality for user terminals located on the periphery of the service area will be significantly reduced, and there will be problems in that if a relay communication device is installed on an aircraft flying in the atmosphere, there will be large fluctuations in attitude and direction, and communication quality will also be large at user terminals and gateway stations.

また、非特許文献2、特許文献1の開示技術は、1以上の無人航空機(ドローン)に中継用通信機を搭載し、これらとユーザ端末、地上制御局、制御対象となる目標の無人航空機等により構成される各通信区間での送受信回線間で同一の周波数帯を共用する時分割多重(TDD)及び時分割多元接続(TDMA)を用いて周波数有効利用を図るものである。 The technology disclosed in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1 aims to efficiently use frequencies by equipping one or more unmanned aerial vehicles (drones) with relay communication devices, and using time division multiplexing (TDD) and time division multiple access (TDMA) to share the same frequency band between transmission and reception lines in each communication section consisting of these drones, user terminals, ground control stations, target unmanned aerial vehicles to be controlled, etc.

この非特許文献2、特許文献1の開示技術では、1の地上制御局に対し、1の目標の無人航空機がサービス対象となっているものの、時間スロットや周波数チャネルの数を増やすことにより、複数の目標の無人航空機に対し同時に通信接続を行えるように拡張することは可能である。しかし、中継用通信機のアンテナは無指向性のシングルビームアンテナが用いられており、マルチビームアンテナに対応した通信方式への拡張は想定されておらず、空間的な周波数利用効率を高くすることはできないという問題点があった。 In the technology disclosed in Non-Patent Document 2 and Patent Document 1, one target unmanned aerial vehicle is serviced by one ground control station, but by increasing the number of time slots and frequency channels, it is possible to expand to allow simultaneous communication connections to multiple target unmanned aerial vehicles. However, an omnidirectional single-beam antenna is used for the relay communication device, and expansion to a communication method compatible with multi-beam antennas is not anticipated, resulting in the problem that it is not possible to increase the spatial frequency utilization efficiency.

特開2017-228917号公報JP 2017-228917 A

総務省資料、“衛星を巡る諸問題に関する調査検討資料” https://www.soumu.go.jp/main_content/000463131.pdf、2017年1月31日Ministry of Internal Affairs and Communications document, “Investigative and Examination Materials on Issues Surrounding Satellites,” https://www.soumu.go.jp/main_content/000463131.pdf, January 31, 2017 加川、小野ほか、“920MHz帯マルチホップ無線通信システムを用いたドローン制御およびセンサデータ伝送の実証実験、” 電子情報通信学会高信頼制御通信研究会、信学技報, vol. 118, no. 344, RCC2018-97, pp. 217-221, 2018年12月.Kagawa, Ono et al., "Demonstration Experiment of Drone Control and Sensor Data Transmission Using 920MHz Band Multi-hop Wireless Communication System," IEICE Technical Report, vol. 118, no. 344, RCC2018-97, pp. 217-221, December 2018.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナを有する中継用通信機を経由させて、広域に分布する多数のユーザ端末とゲートウェイ局との間で双方向通信を同一の周波数帯を効率よく共用しながら行うマルチビーム中継通信システムを提供することにある。 The present invention was conceived in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a multi-beam relay communication system that is mounted on an air vehicle and that efficiently shares the same frequency band to perform two-way communication between a large number of user terminals distributed over a wide area and a gateway station via a relay communication device having a multi-beam antenna.

第1発明に係るマルチビーム中継通信システムは、飛翔体に搭載され、n個のセルに対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、m個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するm本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うk個のユーザ端末と、公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局とを備え、上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てることを特徴とする。 The multibeam relay communication system according to the first invention comprises a relay communication device mounted on an air vehicle and having a multibeam antenna that generates n antenna beams for transmission and reception for a user link, each of which is directed to n cells, and generates m antenna beams for transmission and reception for a feeder link, each of which is directed to m gateway stations; k user terminals that perform two-way communication with the relay communication device through the user link; and m gateway stations that are connected to a public communication network and perform two-way communication with the relay communication device through the feeder link. The user terminals and the gateway stations form a round-trip communication path through the user link and the feeder link via the relay communication device, and the relay communication device assigns divided frequency bands obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q) to each of the antenna beams so that they are different between adjacent cells in the user link, and assigns the divided frequency bands to each of the gateway stations so that they are different from the divided frequency bands assigned to the antenna beams directing the cell in which the gateway station is included.

第2発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第1発明において、上記中継用通信機は、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、上記ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定することを特徴とする。 The multi-beam relay communication system according to the second invention is the first invention, characterized in that the relay communication device sets the antenna beam diameter generated for the feeder link to be smaller than the antenna beam diameter generated for the user link.

第3発明に係るマルチビーム中継通信システムは、飛翔体に搭載され、n個のセルに対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、m個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するm本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うk個のユーザ端末と、公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局とを備え、上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、上記中継用通信機は、複数のセルからなるz個のゾーンに分類するとともに、上記各ゾーンに対して、上記双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることを特徴とする。 The multibeam relay communication system according to the third invention comprises a relay communication device mounted on an air vehicle and having a multibeam antenna that generates n antenna beams for transmission and reception for a user link, each of which is directed to n cells, and generates m antenna beams for transmission and reception for a feeder link, each of which is directed to m gateway stations; k user terminals that perform two-way communication with the relay communication device through the user link; and m gateway stations that are connected to a public communication network and perform two-way communication with the relay communication device through the feeder link. The user terminals and the gateway stations form a round-trip communication path through the user link and the feeder link via the relay communication device, and the relay communication device classifies the cells into z zones consisting of a plurality of cells, and assigns antenna elements for transmitting and receiving the antenna beams in the multibeam antenna to each zone according to the gain of the two-way communication.

第4発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第3発明において、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる上で、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビームの利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることを特徴とする。 The multi-beam relay communication system according to the fourth invention is characterized in that, in the third invention, the relay communication device assigns divided frequency bands obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q) to each of the antenna beams so that the divided frequency bands are different between adjacent cells in the user link, and assigns the divided frequency bands to each of the gateway stations so that the divided frequency bands are different from the divided frequency bands assigned to the antenna beams pointing to the cell in which the gateway station is included, and assigns antenna elements for transmitting and receiving the antenna beams in the multi-beam antenna according to the gain of the antenna beam generated for the feeder link.

発明に係るマルチビーム中継通信システムは、第1発明において、上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当て、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てるとともに、更に上記ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、上記フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局の中の一部のゲートウェイ局に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行することを特徴とする。 A multi-beam relay communication system according to a fifth aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the relay communication device divides the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q) and assigns divided frequency bands to each of the antenna beams so that the divided frequency bands are different between adjacent cells in the user link, and assigns the divided frequency bands to each of the gateway stations so that the divided frequency bands are different from the divided frequency bands assigned to the antenna beams pointing to the cell including the gateway station, and further repeatedly generates, for each time segment in the user link, antenna beams corresponding to the coverage of a portion of a group of cells in the entire coverage, and repeatedly generates, for each time segment in the feeder link, antenna beams corresponding to a portion of all of the gateway stations.

上述した構成からなる本発明によれば、中継用通信機を経由して地上のネットワークに有線あるいは無線で接続され、中継用通信機との間をフィーダリンクで結ばれたゲートウェイ局と、中継用通信機からみて広角かつ地上、海上もしくは上空の広域に分布する固定型もしくは移動型のユーザ端末を結ぶユーザリンクを構成する。そして、中継用通信機は、ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように各アンテナビームに割り当てるとともに、各ゲートウェイ局に対して区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれるセルを指向するアンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる。これにより、通信インフラが貧弱もしくは存在ないエリアで広域にわたって分布するユーザ端末に対して高い周波数利用効率で通信サービスを提供することができる。 According to the present invention having the above-mentioned configuration, a user link is formed between a gateway station, which is connected to a ground network via a relay communication device by wire or wireless and connected to the relay communication device by a feeder link, and a fixed or mobile user terminal that is distributed over a wide area on the ground, sea, or sky at a wide angle from the relay communication device. The relay communication device then assigns divided frequency bands obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q) to each antenna beam so that the divided frequency bands are different between the adjacent cells in the user link, and assigns divided frequency bands to each gateway station so that the divided frequency bands are different from the divided frequency bands assigned to the antenna beams pointing to the cell containing the gateway station. This makes it possible to provide communication services with high frequency utilization efficiency to user terminals distributed over a wide area in areas with poor or no communication infrastructure.

このような中継通信システムは、高高度にある通信中継基地により中継通信するため、地上の通信インフラが貧弱である場合や、山間部や海洋部等がある場合にも、直径数十kmにわたるエリアを包括的にカバーすることができ、災害の影響を受けにくい通信インフラを構築することができる。このため、本発明に係る中継通信システムは、いわゆる地上通信網のバックアップ網としての活用も期待できる。またこの中継通信システムは、航空機に搭載されることから、衛星と比較した場合に、ユーザ端末までの通信距離が大幅に短い。ため、衛星回線よりも小さい送信出力、アンテナ利得で、高速な通信を行うことができ、通信コストもその分低減できる利点がある。 Since such a relay communication system relays communication via a communication relay base at a high altitude, it can comprehensively cover an area with a diameter of several tens of kilometers even in cases where the terrestrial communication infrastructure is poor or where there are mountainous or oceanic areas, making it possible to build a communication infrastructure that is less susceptible to the effects of disasters. For this reason, the relay communication system of the present invention can be expected to be used as a backup network for so-called terrestrial communication networks. In addition, since this relay communication system is mounted on an aircraft, the communication distance to the user terminal is significantly shorter than that of a satellite. Therefore, it has the advantage that high-speed communication can be performed with a smaller transmission output and antenna gain than a satellite line, and communication costs can be reduced accordingly.

図1は、本発明を適用したマルチビーム中継通信システムの全体システム構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the overall system configuration of a multi-beam relay communication system to which the present invention is applied. 図2は、中継用通信機のブロック構成について説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a block configuration of the relay communication device. 図3は、中継用通信機が送信するユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の区分周波数帯域に分割する例について説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an example in which the entire frequency band of a user link transmitted by a relay communication device is divided into divided frequency bands f(1) to f(q). 図4は、ユーザリンクにおけるセルに重ねてフィーダリンクにおけるアンテナビームによるセルが形成され、ユーザリンクのセルとフィーダリンクのセルの区分周波数帯域が重ならないようにすることで両リンク間の干渉を軽減して通信を行う例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example in which a cell is formed by an antenna beam in a feeder link overlapping a cell in a user link, and communication is performed while reducing interference between the two links by preventing the divided frequency bands of the user link cell and the feeder link cell from overlapping. 図5は、フィーダリンクにおいて、ゲートウェイ局に対してアンテナビーム径を絞り込んで割り当て、同じ区分周波数帯域を使用する近くのユーザリンクのセルとの間の干渉を軽減する例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example in which a narrower antenna beam diameter is assigned to a gateway station in a feeder link, thereby reducing interference with cells of nearby user links that use the same divided frequency band. 図6は、同一のセルに対してフィーダリンクの区分周波数帯域を複数種割り当てる例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example in which a plurality of divided frequency bands of a feeder link are allocated to the same cell. 図7は、複数のセルからなる各ゾーンに対して、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおけるアンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てる例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of allocating antenna elements for transmitting and receiving antenna beams in the multi-beam antenna to each zone consisting of a plurality of cells in accordance with the gain of two-way communication. 図8は、図7の例において、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定する場合について説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a case in which the diameter of an antenna beam generated for a feeder link is set smaller than the diameter of an antenna beam generated for a user link in the example of FIG. 図9は、各高度範囲のセルに対してそれぞれ指向する送受信用のアンテナビームを生成する例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of generating antenna beams for transmission and reception directed to cells in each altitude range. 図10は、ユーザリンク及びフィーダリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の各区分周波数帯域に分割した場合のフレーム構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of a frame configuration when the entire frequency band of the user link and the feeder link is divided into frequency bands f(1) to f(q). 図11は、図10に示すフレーム構成に基づいて、フォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信を行う例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of bidirectional communication of a forward link and a return link based on the frame configuration shown in FIG. 図12は、ユーザリンクやフィーダリンクにおける送受信すべき1つのパケットを複数の時間スロットあるいは周波数チャネルに分かれた分割パケットで送信する例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example in which one packet to be transmitted or received in a user link or a feeder link is transmitted as divided packets divided into a plurality of time slots or frequency channels. 図13は、ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行する例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example in which antenna beams corresponding to the coverage of a portion of a group of cells among the entire coverage are generated repeatedly at the same time for each time segment in a user link. 図14は、ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行する例を示す他の図である。FIG. 14 is another diagram showing an example in which antenna beams corresponding to the coverage of a portion of a group of cells among the entire coverage are generated repeatedly at the same time for each time segment in a user link. 図15は、各高高度航空機あるいは無人機のサービスエリアの一部をオーバラップさせる例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example in which the service areas of high altitude aircraft or drones are partially overlapped.

以下、本発明を適用したマルチビーム中継通信システムについて図面を参照しながら詳細に説明をする。 Below, we will explain in detail the multi-beam relay communication system to which the present invention is applied, with reference to the drawings.

図1は、本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1の全体システム構成を示している。このマルチビーム中継通信システム1は、飛翔体に搭載され、マルチビームアンテナ21を有する中継用通信機2と、中継用通信機2と双方向通信を行うk個のユーザ端末3と、中継用通信機2と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局4と、ゲートウェイ局4に接続された公衆通信網5と、公衆通信網5に接続された中央通信端末6とを備えている。 Figure 1 shows the overall system configuration of a multibeam relay communication system 1 to which the present invention is applied. This multibeam relay communication system 1 is equipped with a relay communication device 2 mounted on an air vehicle and having a multibeam antenna 21, k user terminals 3 that perform bidirectional communication with the relay communication device 2, m gateway stations 4 that perform bidirectional communication with the relay communication device 2, a public communication network 5 connected to the gateway station 4, and a central communication terminal 6 connected to the public communication network 5.

中継用通信機2は、高高度を飛行する有人又は無人の航空機やヘリコプター、飛行船、バルーン等の飛翔体に搭載される。中継用通信機2は、nの異なる方向を指向するn本の送信アンテナビームとn本の受信アンテナビームとをそれぞれユーザリンク用に生成する。また中継用通信機2は、mの異なる方向に位置するm個のゲートウェイ局4の方向をそれぞれ指向するm本の送信アンテナビームとm本の受信アンテナビームとをそれぞれフィーダリンク用に生成する。以下、これらユーザリンク用、フィーダリンク用の送信アンテナビームと、受信アンテナビームを、送受信用のアンテナビームと総称する。 The relay communication device 2 is mounted on a flying object such as a manned or unmanned aircraft, helicopter, airship, or balloon flying at high altitude. The relay communication device 2 generates n transmitting antenna beams and n receiving antenna beams each pointing in n different directions for the user link. The relay communication device 2 also generates m transmitting antenna beams and m receiving antenna beams each pointing in the directions of m gateway stations 4 located in m different directions for the feeder link. Hereinafter, these transmitting antenna beams and receiving antenna beams for the user link and feeder link are collectively referred to as antenna beams for transmission and reception.

中継用通信機2は、図2に示すようにマルチビームアンテナ21に加え、ユーザリンク送受信部22と、このユーザリンク送受信部22に接続された中継部23と、中継部23に接続されたフィーダリンク送受信部24と、ユーザリンク送受信部22に接続された位相振幅制御部25-1~25-nと、フィーダリンク送受信部24に接続された位相振幅制御部26-1~26-mとを備えている。 As shown in FIG. 2, in addition to the multi-beam antenna 21, the relay communication device 2 includes a user link transceiver 22, a relay unit 23 connected to the user link transceiver 22, a feeder link transceiver 24 connected to the relay unit 23, phase and amplitude control units 25-1 to 25-n connected to the user link transceiver 22, and phase and amplitude control units 26-1 to 26-m connected to the feeder link transceiver 24.

マルチビームアンテナ21は、送信と受信で共用するe個の小型アンテナ素子211の配列で構成される。個々の小型アンテナ素子211を通じて、それぞれ上述したユーザリンク用、フィーダリンク用の送受信用アンテナビームを送受信する。この小型アンテナ素子211を介して生成される送受信用アンテナビームがユーザリンクにおいて地球上にある各セルに対してそれぞれ指向するように構成される。同様に、この小型アンテナ素子211を介して生成される送受信アンテナビームが地球上にある各ゲートウェイ局4に対してそれぞれ指向するように構成される。 The multi-beam antenna 21 is composed of an array of e small antenna elements 211 that are shared for both transmission and reception. The above-mentioned transmit and receive antenna beams for the user link and feeder link are transmitted and received through each small antenna element 211. The transmit and receive antenna beams generated through these small antenna elements 211 are configured to be directed toward each cell on Earth in the user link. Similarly, the transmit and receive antenna beams generated through these small antenna elements 211 are configured to be directed toward each gateway station 4 on Earth.

小型アンテナ素子211は、このようなアンテナビームの指向方向は、これらに接続される各位相振幅制御部25-1~25-n、26-1~26-mにより設定される。位相振幅制御部25-1~25-n、26-1~26-mは、小型アンテナ素子211への給電信号及び小型アンテナ素子211の受信信号の位相と振幅をそれぞれ設定することにより、このようなアンテナビームの指向方向を制御することができる。 The direction of such an antenna beam of the small antenna elements 211 is set by the respective phase and amplitude control units 25-1 to 25-n and 26-1 to 26-m connected to them. The phase and amplitude control units 25-1 to 25-n and 26-1 to 26-m can control the direction of such an antenna beam by respectively setting the phase and amplitude of the power supply signal to the small antenna elements 211 and the received signal of the small antenna elements 211.

このような位相振幅制御部25-1~25-n、26-1~26-mによる制御の下で、アンテナビームの指向方向を、複数の異なる方向に対して、同時にもしくは時分割で設定することが可能となる。また、この中継用通信機2を搭載する飛しょう体等の機体の姿勢や向きが変化してもこれを補償し、一定の方向へのアンテナビームの指向を維持するような制御も実現できる。 Under the control of such phase and amplitude control units 25-1 to 25-n and 26-1 to 26-m, it is possible to set the direction of the antenna beam to multiple different directions simultaneously or in a time-division manner. In addition, even if the attitude or direction of the aircraft, such as an aircraft carrying this relay communication device 2, changes, this can be compensated for, and control can be realized to maintain the direction of the antenna beam in a fixed direction.

ユーザリンク送受信部22は、k個のユーザ端末3間での双方向通信を制御する。ユーザリンク送受信部22は、実際にユーザ端末3からマルチビームアンテナ21を介して受信した信号を中継部23へと出力する。また中継部23から送られてきたゲートウェイ局4からの信号をマルチビームアンテナ21を介して送信するための制御を行う。 The user link transceiver 22 controls two-way communication between k user terminals 3. The user link transceiver 22 actually outputs signals received from the user terminals 3 via the multi-beam antenna 21 to the relay unit 23. It also controls the transmission of signals from the gateway station 4 sent from the relay unit 23 via the multi-beam antenna 21.

フィーダリンク送受信部24は、m個のゲートウェイ局4間での双方向通信を制御する。フィーダリンク送受信部24は、実際にゲートウェイ局4からマルチビームアンテナ21を介して受信した信号を中継部23へと出力する。また中継部23から送られてきたユーザ端末3からの信号をマルチビームアンテナ21を介して送信するための制御を行う。 The feeder link transceiver 24 controls bidirectional communication between m gateway stations 4. The feeder link transceiver 24 actually outputs signals received from the gateway station 4 via the multibeam antenna 21 to the relay unit 23. It also controls the transmission of signals from the user terminal 3 sent from the relay unit 23 via the multibeam antenna 21.

中継部23は、このユーザリンク送受信部22、フィーダリンク送受信部24間の信号の送受信を中継する。 The relay unit 23 relays the transmission and reception of signals between the user link transceiver unit 22 and the feeder link transceiver unit 24.

ユーザ端末3は、個々のユーザが無線通信を行うための移動型、又は固定型の端末である。ユーザ端末3の例としては、固定電話、携帯電話、スマートフォン、タブレット型端末、ウェアラブル端末、パーソナルコンピュータ(PC)に加え、自動車、航空機、船舶、列車、ロボット、各種機器に搭載された通信端末も含まれる。このユーザ端末が移動型の端末である場合、エリア全体において分割された小型のサービスエリアであるセル7単位で通信が行われる。このユーザリンクにおいては、n個のセル7に対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームが中継用通信機2を通じて形成される。ユーザ端末3は、自身の属するセル7に向けて指向するアンテナビームを介して中継用通信機2と通信することになる。 The user terminal 3 is a mobile or fixed terminal for individual users to perform wireless communication. Examples of the user terminal 3 include fixed telephones, mobile phones, smartphones, tablet terminals, wearable terminals, and personal computers (PCs), as well as communication terminals mounted on automobiles, aircraft, ships, trains, robots, and various devices. When the user terminal is a mobile terminal, communication is performed in units of cells 7, which are small service areas divided within the entire area. In this user link, n antenna beams for transmission and reception, each directed to one of the n cells 7, are formed through the relay communication device 2. The user terminal 3 communicates with the relay communication device 2 via an antenna beam directed toward the cell 7 to which it belongs.

ゲートウェイ局4は、地上に固定される基地局としての役割を担うが、これに限定されるものではなく、移動範囲が所定の範囲に限定される準固定の局として構成されるものであってもよい。このゲートウェイ局4は、フィーダリンクを通じて中継用通信機2との間でアンテナビームを介して通信を行う。ゲートウェイ局4は、インターネット回線等を始めとする公衆通信網5と接続されており、インターネット上から取得した情報を中継用通信機2を中継させて各ユーザ端末3へと送信することが可能となる。またゲートウェイ局4は、公衆通信網5を介して接続された中央通信端末6からの指示や制御に基づいて、マルチビーム中継通信システム1全体やそれが搭載された中継用航空機の飛行などを制御するための各種動作を実行することも可能となる。 The gateway station 4 serves as a base station fixed on the ground, but is not limited to this and may be configured as a semi-fixed station whose range of movement is limited to a predetermined range. This gateway station 4 communicates with the relay communication device 2 via antenna beams through a feeder link. The gateway station 4 is connected to a public communication network 5 including an Internet line, and is capable of transmitting information acquired from the Internet to each user terminal 3 by relaying it through the relay communication device 2. The gateway station 4 can also execute various operations for controlling the entire multi-beam relay communication system 1 and the flight of the relay aircraft on which it is mounted, based on instructions and control from a central communication terminal 6 connected via the public communication network 5.

上述のような構成からなるマルチビーム中継通信システム1によれば、k個のユーザ端末3とm個のゲートウェイ局4との間で、一の中継用通信機2を経由した往復通信路を構成することができる。そして、この往復通信路において同一周波数帯域で時分割多重もしくは周波数分割多重、あるいは時分割多重と周波数分割多重の組合せにより共用することもできる。そして、マルチビームアンテナ21が提供するビーム分割多重とも組合せ、所定の周波数帯域の中で同じ周波数チャネルを再利用することにより高い周波数利用効率で双方向通信を行うこともできる。以下、その具体的な方法について説明する。 The multi-beam relay communication system 1 configured as described above can configure a round-trip communication path between k user terminals 3 and m gateway stations 4 via one relay communication device 2. This round-trip communication path can also be shared in the same frequency band by time division multiplexing or frequency division multiplexing, or a combination of time division multiplexing and frequency division multiplexing. In addition, it can also be combined with beam division multiplexing provided by the multi-beam antenna 21 to reuse the same frequency channel in a specified frequency band, allowing two-way communication with high frequency utilization efficiency. Specific methods for this are described below.

図3に示すように、中継用通信機2が送信するユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の区分周波数帯域に分割する。ここでいう区分周波数帯域の数qは、上述したアンテナビームの本数nとの関係において、n≧qの関係が成り立つことが前提となる。 As shown in FIG. 3, the entire frequency band of the user link transmitted by the relay communication device 2 is divided into divided frequency bands f(1) to f(q). The number of divided frequency bands q here is based on the premise that the relationship n≧q holds in relation to the number n of antenna beams described above.

マルチビームアンテナ21が生成する各々の送信用、受信用のアンテナビームにf(1)~f(q)のいずれかを互いのアンテナビーム間の相互干渉が最小になるように割り当てる。各アンテナビームは、図3に示すようにユーザリンクにおける各セル7に対してそれぞれ指向するように形成され、セル7毎に割り当てられたアンテナビーム間において互いに独立して通信を行う。中でも隣接するセル7に対して指向するアンテナビーム間の部分周波数帯域が重複する場合、相互の通信干渉が生じる可能性が出てくる。このため、隣接するセル7に対して指向するアンテナビーム間においては、少なくとも区分周波数帯域を互いに異らせるように割り当てる。割り当ての例は、図3に示すように、qが3である場合には、隣接するセル7に対して指向するアンテナビーム間において部分周波数帯域f(1)、f(2)、f(3)が互いに異なるように配置する。図3の例では、部分周波数帯域f(1)が割り当てられる一のセル7に着目した場合、その周囲に配置される6つのセル7において、他の部分周波数帯域f(2)、f(3)を交互に配置することで実現することができる。上述した例ではあくまでqが3である場合を挙げて説明をしたが、これに限定されるものではなく、qが7である場合、即ち部分周波数帯域がf(1)~f(7)で構成される場合には、部分周波数帯域f(1)が割り当てられる一のセル7に着目した場合、その周囲に配置される6つのセル7において、他の部分周波数帯域f(2)~f(7)を配置することで実現することができる。qが3以上であれば、上述した配置例に基づいてアンテナビーム間の相互干渉が少なくなるような、様々な配置のバリエーションを採用することも可能となる。 Any of f(1) to f(q) is assigned to each transmitting and receiving antenna beam generated by the multi-beam antenna 21 so that mutual interference between the antenna beams is minimized. Each antenna beam is formed to be directed to each cell 7 in the user link as shown in FIG. 3, and communication is performed independently between the antenna beams assigned to each cell 7. In particular, when the partial frequency bands of antenna beams directed to adjacent cells 7 overlap, there is a possibility that mutual communication interference will occur. For this reason, at least the divided frequency bands are assigned to the antenna beams directed to adjacent cells 7 so that they are different from each other. As an example of assignment, as shown in FIG. 3, when q is 3, the partial frequency bands f(1), f(2), and f(3) are arranged so that they are different from each other between the antenna beams directed to adjacent cells 7. In the example of FIG. 3, when focusing on one cell 7 to which the partial frequency band f(1) is assigned, this can be realized by alternately arranging the other partial frequency bands f(2) and f(3) in the six cells 7 arranged around it. In the above example, the case where q is 3 has been described, but the present invention is not limited to this. When q is 7, that is, when the partial frequency bands are composed of f(1) to f(7), focusing on one cell 7 to which the partial frequency band f(1) is assigned, the other partial frequency bands f(2) to f(7) can be arranged in the six cells 7 arranged around it. If q is 3 or more, it is possible to adopt various arrangement variations that reduce mutual interference between antenna beams based on the above arrangement example.

このようにして、f(1)~f(q)の各区分周波数帯域を異なる送信アンテナビーム間及び異なる受信アンテナビーム間で再利用し、送信と受信の両アンテナビームにおいてそれぞれ区分周波数帯域の再利用回数分に比例して、ユーザリンクにおけるユーザ端末3の収容台数を増加させることが可能となる。 In this way, each divided frequency band f(1) to f(q) can be reused between different transmitting antenna beams and different receiving antenna beams, and the number of user terminals 3 that can be accommodated in the user link can be increased in proportion to the number of times the divided frequency band is reused in both the transmitting and receiving antenna beams.

なお、本発明においては、このようなユーザリンクにおける区分周波数帯域の割り当て方法に加えて、フィーダリンクにおいても同様に区分周波数帯域を割り当てるようにしてもよい。かかる場合には、中継用通信機2が送信するフィーダリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の区分周波数帯域に分割する。ここでいう区分周波数帯域の数qは、上述した個々のゲートウェイ局4に割り当てられたアンテナビームの本数mとの関係において、m≦qの関係が成り立つように設定することが設備コスト上効率的であるが、m>qであってもよい。 In addition to the method of allocating divided frequency bands in the user link, the present invention may also allocate divided frequency bands in the feeder link in a similar manner. In such a case, the entire frequency band of the feeder link transmitted by the relay communication device 2 is divided into divided frequency bands f(1) to f(q). In terms of equipment costs, it is efficient to set the number of divided frequency bands q so that the relationship m≦q holds in relation to the number m of antenna beams allocated to each gateway station 4 described above, but m>q may also be satisfied.

マルチビームアンテナ21が生成する各々の送信用、受信用のアンテナビームにf(1)~f(q)のいずれかを互いのアンテナビーム間の相互干渉が最小になるように割り当てる。各アンテナビームは、図4に示すようにフィーダリンクにおける各セル7に対してそれぞれ指向するように形成され、セル7毎に割り当てられたアンテナビーム間において互いに独立して通信を行う。中でも隣接するセル7に対して指向するアンテナビーム間の部分周波数帯域が重複する場合、相互の通信干渉が生じる可能性が出てくる。このため、隣接するセル7に対して指向するアンテナビーム間においては、少なくとも区分周波数帯域を互いに異らせるように割り当てる。この割当方法の具体的な例は、上述したユーザリンクの例を適用するようにしてもよい。 Any of f(1) to f(q) is assigned to each transmitting and receiving antenna beam generated by the multi-beam antenna 21 so that mutual interference between the antenna beams is minimized. Each antenna beam is formed to be directed to each cell 7 in the feeder link as shown in FIG. 4, and communication is performed independently between the antenna beams assigned to each cell 7. In particular, if the partial frequency bands of antenna beams directed to adjacent cells 7 overlap, there is a possibility that mutual communication interference will occur. For this reason, at least the partial frequency bands are assigned to the antenna beams directed to adjacent cells 7 so that they are different from each other. A specific example of this assignment method may be applied to the user link example described above.

このとき、フィーダリンク用に生成する各々のアンテナビームに割り当てられる部分周波数帯域f(1)~f(q)は、ユーザリンク用のアンテナビームに割り当てられる部分周波数帯域f(1)~f(q)との相互干渉がより小さくなるように割り当てることが望ましい。例えば、図4に示すように、同一のセル7に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がf(2)であるセル7に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域f(1)が割り当てられる。同様に、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がf(3)であるセル7に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域f(2)が割り当てられる。同様にユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がf(1)であるセル7に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域f(3)が割り当てられる。これにより、各セル7において、ユーザリンク、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複することなく、互いの通信干渉を防止することができる。なお隣接するセル間においてユーザリンクの部分周波数帯域と、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複するケースも出てくる場合があるが、図5に示すように、一般的にフィーダリンクでは、ゲートウェイ局4に対してアンテナビーム径を絞り込んで割り当てる。即ち、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定することにより、隣接するセル間においてユーザリンクの部分周波数帯域と、フィーダリンクの部分周波数帯域が重複するケースにおいても、通常はこれらの間で通信干渉を防止できる。 At this time, it is desirable to allocate the partial frequency bands f(1) to f(q) assigned to each antenna beam generated for the feeder link so that mutual interference with the partial frequency bands f(1) to f(q) assigned to the antenna beam for the user link is reduced. For example, as shown in FIG. 4, when focusing on the same cell 7, the partial frequency band f(1) is assigned to the cell 7 in which the partial frequency band assigned through the user link is f(2) in the feeder link. Similarly, the partial frequency band f(2) is assigned to the cell 7 in which the partial frequency band assigned through the user link is f(3) in the feeder link. Similarly, the partial frequency band f(3) is assigned to the cell 7 in which the partial frequency band assigned through the user link is f(1) in the feeder link. This makes it possible to prevent communication interference between the user link and the feeder link in each cell 7 without overlapping the partial frequency bands. Note that there may be cases where the partial frequency band of the user link and the partial frequency band of the feeder link overlap between adjacent cells, but as shown in FIG. 5, in general, in the feeder link, the antenna beam diameter is narrowed and assigned to the gateway station 4. In other words, by setting the antenna beam diameter generated for the feeder link to be smaller than the antenna beam diameter generated for the user link, communication interference between them can usually be prevented even in cases where the partial frequency band of the user link and the partial frequency band of the feeder link overlap between adjacent cells.

図6は、同一のセル7に対してフィーダリンクの部分周波数帯域を複数種割り当てる例を示している。かかる場合においても、同一のセル7に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がf(2)であるセル7に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域f(1)、f(3)が割り当てられることで同一セル7内におけるユーザリンク、フィーダリンク間の通信干渉を防止することが可能となる。同様に、他のセル7に着目した場合、ユーザリンクを通じて割り当てられる部分周波数帯域がf(3)であるセル7に対して、フィーダリンクにおいては、部分周波数帯域f(1)、f(2)が割り当てられることで同一セル7内におけるユーザリンク、フィーダリンク間の通信干渉を防止することが可能となる。 Figure 6 shows an example of allocating multiple types of feeder link partial frequency bands to the same cell 7. Even in such a case, when focusing on the same cell 7, it is possible to prevent communication interference between the user link and the feeder link in the same cell 7 by allocating partial frequency bands f(1) and f(3) to the cell 7 whose partial frequency band allocated through the user link is f(2). Similarly, when focusing on another cell 7, it is possible to prevent communication interference between the user link and the feeder link in the same cell 7 by allocating partial frequency bands f(1) and f(2) to the cell 7 whose partial frequency band allocated through the user link is f(3).

また、本発明においては、複数のセルからなるz個のゾーンに分類するとともに、各ゾーンに対して、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおけるアンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てるようにしてもよい。例えば図7に示すように、ビームアンテナは、セル7への指向方向若しくはセルまでの通信距離に応じて、z個のゾーン(セルのグループ)に分類する。図7の例では、中継用通信機2に対して最も近距離であるゾーン1と、中距離であるゾーン2と、長距離であるゾーン3に各セル7をグルーピングしている。このグルーピングを行う際においては、ゾーン1に用いる小型アンテナ素子211、ゾーン2に用いる小型アンテナ素子211、ゾーン3に用いる小型アンテナ素子211を予め割り当てる。ゾーンに応じて、これらに対して指向するアンテナビームを生成するための小型アンテナ素子211の数を適切に配分する。このとき、図7に示すように中継用通信機2に対する距離が長くなり、通信品質ひいては利得が低下する可能性の高いゾーンほど、これらに割り当てる小型アンテナ素子211の数を増やすようにしてもよい。 In addition, in the present invention, the cells may be classified into z zones consisting of a plurality of cells, and an antenna element for transmitting and receiving the antenna beam of the multi-beam antenna may be assigned to each zone according to the gain of two-way communication. For example, as shown in FIG. 7, the beam antenna is classified into z zones (cell groups) according to the direction of direction to the cell 7 or the communication distance to the cell. In the example of FIG. 7, each cell 7 is grouped into zone 1, which is the closest distance to the relay communication device 2, zone 2, which is a medium distance, and zone 3, which is a long distance. When performing this grouping, the small antenna element 211 to be used in zone 1, the small antenna element 211 to be used in zone 2, and the small antenna element 211 to be used in zone 3 are assigned in advance. The number of small antenna elements 211 for generating antenna beams directed to these is appropriately allocated according to the zone. At this time, the number of small antenna elements 211 to be assigned to a zone that is more likely to have a longer distance to the relay communication device 2 and a lower communication quality and therefore a lower gain, as shown in FIG. 7, may be increased.

このように、双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てることにより、各ゾーン間において通信利得、通信品質の差が生じるのを低減することができる。 In this way, by allocating antenna elements that transmit and receive the antenna beams in the multi-beam antenna according to the gain of two-way communication, it is possible to reduce differences in communication gain and communication quality between zones.

なお、フィーダリンク用のアンテナビームの生成に用いる小型アンテナ素子211の配分をそれぞれ適切に変えて各ビーム幅を設定することにより、フィーダリンクにおけるアンテナビームと、ユーザリンクにおけるアンテナビームとの間で同一の周波数帯域を少ない相互干渉で共用することもできる。 In addition, by appropriately changing the allocation of the small antenna elements 211 used to generate the antenna beam for the feeder link and setting the width of each beam, it is possible to share the same frequency band between the antenna beam in the feeder link and the antenna beam in the user link with little mutual interference.

このとき、上述した図4、5に示すように、ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q、m≦q)に分割した区分周波数帯域を、ユーザリンクにおける隣接するセル間において互いに異らせるように各アンテナビームに割り当てる。これと共に、図8に示すように、各ゲートウェイ局に対して区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれるセル7を指向するアンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる場合、フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定する。これにより、通信干渉を互いに低減させることが可能となる。 At this time, as shown in the above-mentioned Figures 4 and 5, the divided frequency bands obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n ≥ q, m ≤ q) are assigned to each antenna beam so as to be different between adjacent cells in the user link. At the same time, as shown in Figure 8, when the divided frequency bands are assigned to each gateway station so as to be different from the divided frequency bands assigned to the antenna beam pointing to the cell 7 containing the gateway station, the antenna beam diameter generated for the feeder link is set smaller than the antenna beam diameter generated for the user link. This makes it possible to reduce communication interference between the two.

図9の例では、高度範囲(レイヤ)Aにおけるn個のセルに対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームを第1のユーザリンク用に生成し、高度範囲(レイヤ)Bにおけるn2個の空間領域に対してそれぞれ指向するn2本の送受信用のアンテナビームを第2のユーザリンク用に生成する例を示している。ちなみに、高度範囲(レイヤ)Aは、高度範囲(レイヤ)Bよりも低い高度とされている。これらに加えて、更にm個のゲートウェイ局4に対してそれぞれ指向するm本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成する点は、上述と同様である。 The example in Figure 9 shows an example in which n transmission/reception antenna beams directed toward n cells in altitude range (layer) A are generated for a first user link, and n2 transmission/reception antenna beams directed toward n2 spatial regions in altitude range (layer) B are generated for a second user link. Incidentally, altitude range (layer) A is set to a lower altitude than altitude range (layer) B. In addition to these, m transmission/reception antenna beams directed toward m gateway stations 4 are generated for the feeder link, similar to the above.

第1のユーザリンクを通じて中継用通信機2と双方向通信を行うk個のユーザ端末3が本システムにおいて先ず含まれる。そして、第2のユーザリンクを通じて双方向通信を行う中継用通信機2が搭載された飛翔体よりも低高度を飛行する他の飛翔体に搭載された複数個の第2ユーザ端末9が本システムに含まれる。この第2ユーザ端末9が搭載される飛翔体は、無人又は有人の航空機やヘリコプター等で構成される。更に、フィーダリンクを通じて中継用通信機2と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局4も本システムに含まれる。 First, the system includes k user terminals 3 that perform two-way communication with the relay communication device 2 through a first user link. The system also includes a plurality of second user terminals 9 mounted on another flying object that flies at a lower altitude than the flying object on which the relay communication device 2 is mounted and which performs two-way communication through a second user link. The flying object on which the second user terminals 9 are mounted is composed of an unmanned or manned aircraft, helicopter, or the like. Furthermore, the system also includes m gateway stations 4 that perform two-way communication with the relay communication device 2 through a feeder link.

ユーザ端末3とゲートウェイ局4は、中継用通信機2を介した第1のユーザリンク及びフィーダリンクを通じて往復通信路を構成する。また第2ユーザ端末9とゲートウェイ局4は、中継用通信機2を介した2のユーザリンク及びフィーダリンクを通じて往復通信路を構成する。 The user terminal 3 and the gateway station 4 form a round-trip communication path through a first user link and a feeder link via the relay communication device 2. The second user terminal 9 and the gateway station 4 form a round-trip communication path through a second user link and a feeder link via the relay communication device 2.

このとき、第1のユーザリンクと、上記第2のユーザリンクとの間で互いに通信周波数が異なるように異なる高度範囲ごとの各アンテナビームに割り当てるようにしてもよい。また、第1のユーザリンクと、上記第2のユーザリンクとの間で互いに時間スロットが異なるように異なる高度範囲ごとの各アンテナビームに割り当てるようにしてもよい。これにより、第1のユーザリンクと、上記第2のユーザリンクとの間での通信干渉を防止することができる。 In this case, the first user link and the second user link may be assigned to antenna beams for different altitude ranges so that their communication frequencies are different from each other. Also, the first user link and the second user link may be assigned to antenna beams for different altitude ranges so that their time slots are different from each other. This makes it possible to prevent communication interference between the first user link and the second user link.

また、本発明においては、中継用通信機2が送受信するユーザリンク及びフィーダリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の各区分周波数帯域に分割した場合、以下の方法にフレーム構成に基づいて通信を行うようにしてもよい。 In addition, in the present invention, when the entire frequency band of the user link and feeder link that the relay communication device 2 transmits and receives is divided into each divided frequency band f(1) to f(q), communication may be performed based on the frame structure in the following method.

図10は、そのフレーム構成の例を示している。ユーザリンク及びフィーダリンクにおいては一定の時間長を有すると共に、互いに同期させたフレーム単位で双方向通信を行うことを前提とする。ユーザリンク及びフィーダリンクの各フレームは、それぞれ時間的に前と後に分割された2つのサブフレームからなり、各サブフレームの末尾には所定の無信号区間であるガードタイムがそれぞれ付加される。ユーザリンクに割り当てられる区分周波数帯域をcuとし、フィーダリンクに割り当てられる区分周波数帯域をcfとする。 Figure 10 shows an example of the frame structure. It is assumed that the user link and feeder link have a fixed time length and perform bidirectional communication in frame units that are synchronized with each other. Each frame of the user link and feeder link consists of two subframes, divided into an earlier and later subframe in time, and a guard time, which is a predetermined signal-free interval, is added to the end of each subframe. The divided frequency band allocated to the user link is cu, and the divided frequency band allocated to the feeder link is cf.

ここで、ユーザ端末3から中継用通信機2を経由してゲートウェイ局4に至る通信経路をリターンリンクという。また、ゲートウェイ局4から中継用通信機2を経由してユーザ端末3に至る通信経路をフォワードリンクという。各周波数チャネルにおいて前サブフレームと、後サブフレームは、それぞれsu1、su2、・・・の時間スロットに、又はsf1、sf2、・・・の時間スロットに分割されているものとする。 Here, the communication path from the user terminal 3 to the gateway station 4 via the relay communication device 2 is called a return link. Also, the communication path from the gateway station 4 to the user terminal 3 via the relay communication device 2 is called a forward link. In each frequency channel, the front subframe and the rear subframe are divided into time slots of su1, su2, ... or time slots of sf1, sf2, ....

このとき、リターンリンクにおいては、例えば図10に示すように、ユーザリンクを通じてユーザ端末3から送られてきた信号は、時間スロットsu1の前サブフレームに挿入されているものとする。中継用通信機2は、この時間スロットsu1の前サブフレームに挿入された信号を、これよりも後のフレームの時間スロットsf4の後サブフレームに挿入することで、フィーダリンクを通じてゲートウェイ局4へと送信する。 In this case, in the return link, for example, as shown in FIG. 10, the signal sent from the user terminal 3 through the user link is inserted into the previous subframe of time slot su1. The relay communication device 2 transmits the signal inserted into the previous subframe of time slot su1 to the subsequent subframe of time slot sf4 of the subsequent frame through the feeder link to the gateway station 4.

またフォワードリンクにおいては、図10に示すように、フィーダリンクを通じてゲートウェイ局4から送られてきた信号は、時間スロットsf1の前サブフレームに挿入されているものとする。中継用通信機2は、この時間スロットsf1の前サブフレームに挿入された信号を、これよりも後のフレームの時間スロットsu4の後サブフレームに挿入することで、ユーザリンクを通じてユーザ端末3へと送信する。 In the forward link, as shown in FIG. 10, the signal sent from the gateway station 4 via the feeder link is inserted into the previous subframe of time slot sf1. The relay communication device 2 transmits the signal inserted into the previous subframe of time slot sf1 to the subsequent subframe of time slot su4 of the subsequent frame, via the user link, to the user terminal 3.

ユーザリンク、フィーダリンクにおける他のサブフレームにおける信号も同様に、後に続くフレームに含まれて送られることになる。ユーザリンクを構成する区分周波数帯域cuにおいて、更に複数以上に区分周波数帯域を分割してそれぞれアンテナビームに重畳させて送受信するようにしてもよい。フィーダリンクを構成する区分周波数帯域cfにおいて、更に複数以上に区分周波数帯域を分割してそれぞれアンテナビームに重畳させて送受信するようにしてもよい。 Signals in other subframes in the user link and feeder link will also be sent in the following frame. The divided frequency band cu constituting the user link may be further divided into multiple or more divided frequency bands, each of which may be superimposed on an antenna beam for transmission and reception. The divided frequency band cf constituting the feeder link may be further divided into multiple or more divided frequency bands, each of which may be superimposed on an antenna beam for transmission and reception.

このとき、フォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信において、ユーザリンク、フィーダリンク共に周波数帯域cu、cfをそれぞれ共用することにより、通信システム内において多数のユーザ端末を収容するが可能となる。 In this case, in bidirectional communication of the forward link and return link, the frequency bands cu and cf are shared by both the user link and the feeder link, respectively, making it possible to accommodate a large number of user terminals within the communication system.

このようなデータフレームを利用してフォワードリンク及びリターンリンクの双方向通信を行う場合には、図11に示すように、中継用通信機2がユーザリンクにおいて送信するタイミングと同じタイミングでフィーダリンクにおいて送信し、また中継用通信機2がユーザリンクにおいて受信するタイミングと同じタイミングでフィーダリンクにおいて受信するようにサブフレームを配置するようにしてもよい。つまり、図10では、時間スロットsu1においてユーザリンクにおけるリターンリンクのデータフレームが形成され、同じタイミングにおけるsf1においてフィーダリンクにおけるフォワードリンクのデータフレームが形成されている。これは図11(a)に示すように、ユーザ端末3から中継用通信機2への送信と、ゲートウェイ局4から中継用通信機2への送信のタイミングが同じであることを意味している。同様に図10では、時間スロットsu2においてユーザリンクにおけるフォワードリンクのデータフレームが形成され、同じタイミングにおけるsf2においてフィーダリンクにおけるリターンリンクのデータフレームが形成されている。これは図11(b)に示すように、中継用通信機2からユーザ端末3への送信と、中継用通信機2からゲートウェイ局4への送信のタイミングが同じであることを意味している。中継用通信機2はユーザリンクにおける送信タイミングとフィーダリンクにおける受信タイミングが重複することがなく、またユーザリンクにおける受信タイミングとフィーダリンクにおける送信タイミングが重複することがなくなるため、送信から受信への回り込みによる干渉を避けることが可能となる。 When such data frames are used to perform bidirectional communication on the forward link and the return link, as shown in FIG. 11, the subframes may be arranged so that the relay communication device 2 transmits on the feeder link at the same timing as the user link and receives on the feeder link at the same timing as the relay communication device 2 receives on the user link. That is, in FIG. 10, a return link data frame on the user link is formed in time slot su1, and a forward link data frame on the feeder link is formed in sf1 at the same timing. This means that, as shown in FIG. 11(a), the timing of transmission from the user terminal 3 to the relay communication device 2 is the same as that of transmission from the gateway station 4 to the relay communication device 2. Similarly, in FIG. 10, a forward link data frame on the user link is formed in time slot su2, and a return link data frame on the feeder link is formed in sf2 at the same timing. This means that, as shown in FIG. 11(b), the timing of transmission from the relay communication device 2 to the user terminal 3 is the same as that of transmission from the relay communication device 2 to the gateway station 4. The relay communication device 2 prevents the transmission timing in the user link from overlapping with the reception timing in the feeder link, and also prevents the reception timing in the user link from overlapping with the transmission timing in the feeder link, making it possible to avoid interference caused by leakage from transmission to reception.

なお本発明においては、図12に示すように、リターンリンクで送る情報のまとまりである1パケットをその情報量に応じ、ユーザリンクやフィーダリンクにおける1サブフレーム内の一の周波数チャネルの一の時間スロットからなる単一ブロックに配分するようにしてもよい。つまり、ユーザリンクやフィーダリンクにおける単一ブロックを集めてきて分割パケットを構成し、複数の分割パケットを組み合わせることで1パケットを構成するようにしてもよい。また1パケットを、2以上のサブフレーム、2以上の周波数チャネル、2以上の時間スロットの複数ブロックに分割して配分するようにしてもよい。つまり、ユーザリンクやフィーダリンクにおける2以上のブロックを集めてきて分割パケットを構成し、複数の分割パケットを組み合わせることで1パケットを構成するようにしてもよい。実際に通信するのはこの1パケットになるが、通信する必要のある1パケットの情報量に柔軟に適応した通信回線を確立することができる。 In the present invention, as shown in FIG. 12, one packet, which is a collection of information to be sent on the return link, may be allocated to a single block consisting of one time slot of one frequency channel in one subframe in the user link or feeder link according to the amount of information. In other words, single blocks in the user link or feeder link may be collected to form a divided packet, and one packet may be composed by combining multiple divided packets. One packet may also be divided and allocated to multiple blocks of two or more subframes, two or more frequency channels, and two or more time slots. In other words, two or more blocks in the user link or feeder link may be collected to form a divided packet, and one packet may be composed by combining multiple divided packets. Although it is this one packet that is actually communicated, a communication line that flexibly adapts to the amount of information in one packet that needs to be communicated can be established.

また本発明は、図3に示すような中継用通信機2が送信するユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)の区分周波数帯域に分割する際に、更に時間分割を組み合わせるようにしてもよい。図13に示すように、中継用通信機2は、全時間をdの時間区分に分割し、ユーザリンクでは1番目の時間区分T1において中継用通信機2の全覆域の中における一部の覆域に対応するn(T1)のアンテナビームを同時に生成する。この図13の例では、n(T1)のアンテナビームとして7つのセルに向けたアンテナビームを同時に生成している。次に2番目の時間区分T2において別の一部の覆域に対応するn(T2)のアンテナビームを同時に生成する。この図13の例では、n(T2)のアンテナビームとして6つのセルに向けたアンテナビームを同時に生成している。かかる動作を全覆域に対応する全ビーム数n(ここで、n(T1)+n(T2)+・・・・+n(Td)=n、ここでTdは最後となるd番目の時間区分)にわたるまで繰返し実行する。 In addition, the present invention may further combine time division when dividing the entire frequency band of the user link transmitted by the relay communication device 2 as shown in FIG. 3 into divided frequency bands f(1) to f(q). As shown in FIG. 13, the relay communication device 2 divides the entire time into d time segments, and in the user link, in the first time segment T1, n (T1) antenna beams corresponding to a part of the coverage area of the entire coverage area of the relay communication device 2 are generated simultaneously. In the example of FIG. 13, antenna beams directed to seven cells are generated simultaneously as the n (T1) antenna beam. Next, in the second time segment T2, n (T2) antenna beams corresponding to another part of the coverage area are generated simultaneously. In the example of FIG. 13, antenna beams directed to six cells are generated simultaneously as the n (T2) antenna beam. This operation is repeated until the total number of beams n corresponding to the entire coverage area (here, n (T1) + n (T2) + ... + n (Td) = n, where Td is the last d-th time segment) is reached.

また中継用通信機2は、フィーダリンクにおいても同様に、時間区分T1において全ゲートウェイ局4の中の一部の局に対応するm(T1)のアンテナビームを同時に生成する。次に時間区分T2においてゲートウェイ局4の中の別の一部の局に対応するm(T2)のアンテナビームを同時に生成し、これを全てのゲートウェイ局4に対応する全ビーム数m(ここでm(T1)+m(T2)+・・・・+m(Td)=m)に亘るまで繰返し実行する。 Similarly, in the feeder link, the relay communication device 2 simultaneously generates m (T1) antenna beams corresponding to a portion of all the gateway stations 4 in time segment T1. Next, in time segment T2, it simultaneously generates m (T2) antenna beams corresponding to another portion of the gateway stations 4, and repeats this process until the total number of beams m (where m (T1) + m (T2) + ... + m (Td) = m) corresponding to all the gateway stations 4 is reached.

つまりユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局4の中の一部のゲートウェイ局4に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行する。 In other words, in the user link, for each time segment, antenna beams corresponding to the coverage of a portion of the cell groups within the entire coverage are generated simultaneously and repeatedly, and in the feeder link, for each of the above time segments, antenna beams corresponding to a portion of the gateway stations 4 among all the gateway stations 4 are generated repeatedly.

ユーザリンク及びフィーダリンクの各時間区分は、上述した図10に示すフレーム周期及びサブフレーム周期に同期する。そして、この時間区分ごとに全てのマルチビームの一部のビームのみを同時に生成し、これを順番に切替える。 Each time segment of the user link and feeder link is synchronized with the frame period and subframe period shown in FIG. 10 described above. Then, for each time segment, only a portion of all multi-beams are generated simultaneously, and these are switched in sequence.

これにより、中継用通信機2を、ユーザリンクの全覆域及びフィーダリンクの全ゲートウェイ局に対応させると共に、同時生成するアンテナビーム数を削減することができる。その結果、中継用通信機2の送信電力を低減させることができ、かつユーザリンクのビーム間干渉及びユーザリンクとフィーダリンク間のビーム間干渉を低減させることも可能となる。 This allows the relay communication device 2 to correspond to the entire coverage area of the user link and all gateway stations of the feeder link, while reducing the number of antenna beams that are generated simultaneously. As a result, it is possible to reduce the transmission power of the relay communication device 2, and it is also possible to reduce the inter-beam interference of the user link and the inter-beam interference between the user link and the feeder link.

このとき、ユーザリンクにおいて、複数のセルからなる一部の覆域に含まれるゲートウェイ局4について、当該覆域に割り当てられたデータフレームの時間区分とは異なる時間区分に割り当てるようにしてもよい。例えば、時間区分T2においてゲートウェイ局4の中の別の一部の局に対応するm(T2)のアンテナビームを生成するが、当該時間区分T2においては、このm(T2)における覆域に含まれるゲートウェイ局4は、別の時間区分において割り当てられる。 In this case, in the user link, a gateway station 4 included in a part of the coverage area consisting of multiple cells may be assigned to a time segment different from the time segment of the data frame assigned to that coverage area. For example, in time segment T2, an antenna beam m(T2) corresponding to another part of the gateway stations 4 is generated, but in that time segment T2, the gateway station 4 included in the coverage area of this m(T2) is assigned to a different time segment.

図14は、図13に示す実施形態の他の例を示している。この図14に示す例では、時間区分T1、T2、T3、・・・の切り替えタイミングを、各フレームの期間に合わせている。上述した図13の例では、時間区分T1、T2、T3、・・・の切り替えタイミングを、前サブフレーム又は後サブフレーム内において行っているのに対し、この図14は、前サブフレームと後サブフレームからなるフレーム単位行う。かかる場合も同様の方法を実行することにより、ユーザリンクの全覆域及びフィーダリンクの全ゲートウェイ局に対応させると共に、同時生成するアンテナビーム数を削減することができる。 Figure 14 shows another example of the embodiment shown in Figure 13. In this example shown in Figure 14, the switching timing of the time segments T1, T2, T3, ... is aligned with the period of each frame. In the example of Figure 13 described above, the switching timing of the time segments T1, T2, T3, ... is performed within the previous subframe or the next subframe, whereas in Figure 14, it is performed on a frame basis consisting of the previous subframe and the next subframe. By implementing a similar method in this case, it is possible to cover the entire coverage area of the user link and all gateway stations of the feeder link, while reducing the number of antenna beams that are generated simultaneously.

上述した構成からなる本発明によれば、中継用通信機2を経由して地上のネットワークに有線あるいは無線で接続され中継用通信機2との間をフィーダリンクで結ばれたゲートウェイ局4と、中継用通信機からみて広角かつ地上、海上もしくは上空の広域に分布する固定型もしくは移動型のユーザ端末3を結ぶユーザリンクを構成する。これにより、通信インフラが貧弱もしくは存在ないエリアで広域にわたって分布するユーザ端末3に対して高い周波数利用効率で通信サービスを提供することができる。 According to the present invention having the above-mentioned configuration, a user link is formed that connects a gateway station 4, which is connected to a ground network via a relay communication device 2 by wire or wireless and connected to the relay communication device 2 by a feeder link, with fixed or mobile user terminals 3 that are distributed over a wide area on the ground, sea or sky and at a wide angle from the relay communication device. This makes it possible to provide communication services with high frequency utilization efficiency to user terminals 3 that are distributed over a wide area in areas where communication infrastructure is poor or non-existent.

具体的には、ユーザリンクとフィーダリンクの間及びフォワードリンクとリターンリンクの間で少ない相互干渉で同一の周波数帯域を共用することができるため、従来よりも少ない周波数帯域で同等の通信容量を確保することが可能となる。 Specifically, the same frequency band can be shared between the user link and the feeder link, and between the forward link and the return link, with minimal mutual interference, making it possible to ensure the same communication capacity with a smaller frequency band than before.

また、ユーザリンクとフィーダリンクの双方において、中継用通信機2からみた距離や角度に応じてマルチビームアンテナの利得配分を行うことができるため、ユーザ端末3間あるいは複数のゲートウェイ局4間での通信品質の差を小さくすることで均質化を図ることが可能となる。 In addition, in both the user link and the feeder link, the gain of the multi-beam antenna can be allocated according to the distance and angle seen from the relay communication device 2, making it possible to achieve uniformity by reducing the difference in communication quality between user terminals 3 or between multiple gateway stations 4.

また、本発明によれば高度10km~20kmに及ぶ高高度に滞空飛行させる航空機に中継用通信機2を搭載することにより、直径数10km以上の地上、海上、あるいは上空(中継用通信機2の高度よりは低い高度)の多数のユーザ端末3との間での多数接続通信サービスの実現が可能となる。このサービスが扱う通信データの例としては、センサデータ、音声データ、映像データ等に加え、ロボットやドローンの制御用のコマンドデータやテレメトリデータ等があり、通信インフラが貧弱あるいは存在しないエリアを含む広域にわたるIoTサービスが実現できる。 In addition, according to the present invention, by mounting a relay communication device 2 on an aircraft that flies at high altitudes of 10 to 20 km, it becomes possible to realize a multi-connection communication service between many user terminals 3 on the ground, at sea, or in the air (at a lower altitude than the altitude of the relay communication device 2) with a diameter of tens of kilometers or more. Examples of communication data handled by this service include sensor data, audio data, video data, etc., as well as command data and telemetry data for controlling robots and drones, making it possible to realize IoT services over a wide area, including areas with poor or non-existent communication infrastructure.

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1では、衛星をロケット等で打ち上げるよりも低いシステム構築コストや通信端末のコストが期待でき、また地上の災害に強い通信インフラが提供できるという利点もある。またマルチビーム中継通信システム1では、電波減衰や通信遅延も衛星システムに比べて小さくできるという利点もある。 The multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied is expected to have lower system construction costs and communication terminal costs than launching a satellite using a rocket or the like, and also has the advantage of being able to provide a communications infrastructure that is resistant to terrestrial disasters. Another advantage of the multi-beam relay communication system 1 is that it can reduce radio wave attenuation and communication delays compared to satellite systems.

特に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1では、アンテナビーム間で同じ周波数帯を使用してもビーム方向にある程度差をつけることにより相互の干渉を低減することが可能となるため、同じ周波数帯を複数の互いに離れたビームで使っても問題なく、限られた周波数の範囲で、より多くのユーザ端末を収容することが可能となる。 In particular, in the multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied, even if the same frequency band is used between antenna beams, mutual interference can be reduced by creating a certain degree of difference in beam direction, so there is no problem even if the same frequency band is used by multiple beams that are far apart from each other, and it is possible to accommodate more user terminals within a limited frequency range.

また、本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1は、そのアンテナビーム指向性が電子的に制御されるため、中継用通信機2の水平面や垂直面の向きが時間的に変動しても、その変動は自動的に補償され、ユーザ端末に提供される通信品質に与える影響を最小限に抑えることができる。換言すれば、本発明は、地上、海上、上空向けのビームフットプリントを高高度を飛行する飛翔体の姿勢変動や方位変動に関わらず一定に保つことができる。 In addition, the multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied electronically controls its antenna beam directivity, so even if the horizontal or vertical orientation of the relay communication device 2 varies over time, the variation is automatically compensated for, minimizing the impact on the quality of communication provided to the user terminal. In other words, the present invention can keep the beam footprint for the ground, sea, and sky constant regardless of the attitude and azimuth variations of an aircraft flying at high altitude.

更に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1は、指向方向による利得配分方法により、高高度を飛行する飛翔体直下のエリアと、その飛翔体から遠く離れたサービスエリア周縁部のエリアとの間で、通信品質の差を小さく抑えることが可能となる。 Furthermore, the multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied makes it possible to minimize the difference in communication quality between an area directly under an aircraft flying at high altitude and an area on the periphery of a service area far away from the aircraft, by using a gain distribution method based on the pointing direction.

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1は、複数の小型アンテナ素子211からなるマルチビームアンテナ21を有し、各小型アンテナ素子211に給電がなされ、又はそれぞれの小型アンテナ素子211で受信される電波の位相を適宜設定することによりアンテナビームの指向方向を設定できる。これらの動作を複数のアンテナビームの指向方向間で同時に行うことにより、複数の異なる方向に同時にアンテナビームを指向させて発信させることができる。またアンテナビームごとに使用する小型アンテナ素子211の数を変化させることにより、アンテナビームの利得を自由に設定できる。このマルチビームアンテナ21の代替として、複数の異なる方向に向けた図示しない指向性アンテナを備え、各指向性アンテナ毎にアンテナビームを生成する方法で実現するようにしてもよい。 The multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied has a multi-beam antenna 21 consisting of multiple small antenna elements 211, and the direction of the antenna beam can be set by feeding power to each small antenna element 211 or by appropriately setting the phase of the radio waves received by each small antenna element 211. By performing these operations simultaneously between the directions of multiple antenna beams, it is possible to simultaneously direct and transmit antenna beams in multiple different directions. In addition, by changing the number of small antenna elements 211 used for each antenna beam, the gain of the antenna beam can be freely set. As an alternative to this multi-beam antenna 21, it may be realized by providing a directional antenna (not shown) facing multiple different directions and generating an antenna beam for each directional antenna.

本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1が適用可能な分野としては、携帯電話網や専用通信網のバックアップ回線の他、様々なセンサ、ロボット、無人航空機、あるいは自動車(自動運転含む)、列車、航空機、空飛ぶ車両、船舶、人が持つ端末等に対する広域IoT接続や運行管理・運行制御の分野等が想定される。様々な高度範囲を飛行する無人航空機や有人の航空機に対しては、高度範囲ごとに多層化されたマルチビームでカバーすることができる。 Possible fields in which the multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied can be applied include backup lines for mobile phone networks and dedicated communication networks, as well as wide-area IoT connections and operation management/control for various sensors, robots, unmanned aerial vehicles, automobiles (including autonomous driving), trains, aircraft, flying vehicles, ships, and human-held terminals. Unmanned aerial vehicles and manned aircraft flying at various altitude ranges can be covered with multi-beams layered for each altitude range.

更に本発明を適用したマルチビーム中継通信システム1によれば、図15に示すように、上空に複数の高高度航空機あるいは無人航空機を飛行させることにより、サービスエリアを拡大することができる。これと共に、各高高度航空機あるいは無人機のサービスエリアの一部をオーバラップさせることにより、当該オーバラップするエリアに位置する各ユーザ端末3は、地上の建物や地形の影響で電波が遮蔽あるいは減衰される場合において、複数の高高度航空機あるいは無人機の中から伝搬条件のよいものを選択して通信接続することができる。このため、本発明によれば、遮蔽あるいは減衰の影響を回避するための施策としても有用性が高い。 Furthermore, according to the multi-beam relay communication system 1 to which the present invention is applied, as shown in FIG. 15, the service area can be expanded by flying multiple high-altitude aircraft or unmanned aircraft in the sky. At the same time, by overlapping a portion of the service area of each high-altitude aircraft or unmanned aircraft, each user terminal 3 located in the overlapping area can select the one with the best propagation conditions from among the multiple high-altitude aircraft or unmanned aircraft and communicate with it when radio waves are blocked or attenuated due to buildings or topography on the ground. Therefore, according to the present invention, it is highly useful as a measure to avoid the effects of blocking or attenuation.

1 マルチビーム中継通信システム
2 中継用通信機
3 ユーザ端末
4 ゲートウェイ局
5 公衆通信網
6 中央通信端末
7 セル
9 第2ユーザ端末
21 マルチビームアンテナ
22 ユーザリンク送受信部
23 中継部
24 フィーダリンク送受信部
25 位相振幅制御部
26 位相振幅制御部
211 小型アンテナ素子
REFERENCE SIGNS LIST 1 Multi-beam relay communication system 2 Relay communication device 3 User terminal 4 Gateway station 5 Public communication network 6 Central communication terminal 7 Cell 9 Second user terminal 21 Multi-beam antenna 22 User link transceiver unit 23 Relay unit 24 Feeder link transceiver unit 25 Phase and amplitude control unit 26 Phase and amplitude control unit 211 Small antenna element

Claims (5)

飛翔体に搭載され、n個のセルに対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、m個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するm本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、
上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うk個のユーザ端末と、
公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局とを備え、
上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、
上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てること
を特徴とするマルチビーム中継通信システム。
a relay communication device mounted on an airborne vehicle, the relay communication device having a multi-beam antenna for generating n antenna beams for transmission and reception for a user link, the n antenna beams being directed to n cells respectively, and for generating m antenna beams for transmission and reception for a feeder link, the m antenna beams being directed to m gateway stations respectively;
k user terminals that perform bidirectional communication with the relay communication device through the user link;
a number m of gateway stations connected to a public communication network and performing bidirectional communication with the relay communication device through the feeder link;
the user terminal and the gateway station form a round-trip communication path through the user link and the feeder link via the relay communication device;
the relay communication device allocates divided frequency bands, obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q), to each of the antenna beams so as to be different from each other between the adjacent cells in the user link, and allocates the divided frequency bands to each of the gateway stations so as to be different from each other from the divided frequency bands allocated to the antenna beams pointing to the cell including the gateway station.
上記中継用通信機は、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビーム径を、上記ユーザリンク用に生成するアンテナビーム径よりも小さく設定すること
を特徴とする請求項1記載のマルチビーム中継通信システム。
2. The multi-beam relay communication system according to claim 1, wherein the relay communication device sets an antenna beam diameter for the feeder link to be smaller than an antenna beam diameter for the user link.
飛翔体に搭載され、n個のセルに対してそれぞれ指向するn本の送受信用のアンテナビームをユーザリンク用に生成すると共に、m個のゲートウェイ局に対してそれぞれ指向するm本の送受信用のアンテナビームをフィーダリンク用に生成するマルチビームアンテナを有する中継用通信機と、
上記ユーザリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うk個のユーザ端末と、
公衆通信網に接続され、上記フィーダリンクを通じて上記中継用通信機と双方向通信を行うm個のゲートウェイ局とを備え、
上記ユーザ端末と上記ゲートウェイ局は、上記中継用通信機を介した上記ユーザリンク及び上記フィーダリンクを通じて往復通信路を構成し、
上記中継用通信機は、複数のセルからなるz個のゾーンに分類するとともに、上記各ゾーンに対して、上記双方向通信の利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てること
を特徴とするマルチビーム中継通信システム。
a relay communication device mounted on an airborne vehicle, the relay communication device having a multi-beam antenna for generating n antenna beams for transmission and reception for a user link, the n antenna beams being directed to n cells respectively, and for generating m antenna beams for transmission and reception for a feeder link, the m antenna beams being directed to m gateway stations respectively;
k user terminals that perform bidirectional communication with the relay communication device through the user link;
a number m of gateway stations connected to a public communication network and performing bidirectional communication with the relay communication device through the feeder link;
the user terminal and the gateway station form a round-trip communication path through the user link and the feeder link via the relay communication device;
The relay communication device classifies a plurality of cells into z zones, and assigns antenna elements for transmitting and receiving the antenna beams of the multibeam antenna to each of the zones according to the gain of the two-way communication.
上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当てるとともに、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てる上で、上記フィーダリンク用に生成するアンテナビームの利得に応じて上記マルチビームアンテナにおける上記アンテナビームを送受信するアンテナ素子を割り当てること
を特徴とする請求項3記載のマルチビーム中継通信システム。
4. The multibeam relay communication system according to claim 3, wherein the relay communication device allocates divided frequency bands, obtained by dividing the entire frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q), to each of the antenna beams so as to be different between adjacent cells in the user link, and allocates the divided frequency bands to each of the gateway stations so as to be different from the divided frequency bands allocated to the antenna beams pointing to the cell including the gateway station, and allocates antenna elements for transmitting and receiving the antenna beams in the multibeam antenna in accordance with a gain of the antenna beam generated for the feeder link.
上記中継用通信機は、上記ユーザリンクの全周波数帯域をf(1)~f(q)(n≧q)に分割した区分周波数帯域を、上記ユーザリンクにおける隣接する上記セル間において互いに異らせるように上記各アンテナビームに割り当て、上記各ゲートウェイ局に対して上記区分周波数帯域を、当該ゲートウェイ局が含まれる上記セルを指向する上記アンテナビームに割り当てた区分周波数帯域と互いに異らせるように割り当てるとともに、更に上記ユーザリンクにおいて、各時間区分について、全覆域の中における一部のセル群の覆域に対応するアンテナビームを同時に生成することを繰り返し実行するとともに、上記フィーダリンクにおいて、上記各時間区分について、全ゲートウェイ局の中の一部のゲートウェイ局に対応するアンテナビームを生成することを繰り返し実行すること
を特徴とする請求項1記載のマルチビーム中継通信システム。
2. The multi-beam relay communication system according to claim 1, wherein the relay communication device assigns divided frequency bands, obtained by dividing a total frequency band of the user link into f(1) to f(q) (n≧q), to each of the antenna beams so that the divided frequency bands are different between adjacent cells in the user link, and assigns the divided frequency bands to each of the gateway stations so that the divided frequency bands are different from the divided frequency bands assigned to the antenna beams pointing to the cell including the gateway station, and further repeatedly generates, for each time segment in the user link, antenna beams corresponding to coverage areas of a part of cell groups in a total coverage, and repeatedly generates, for each time segment in the feeder link, antenna beams corresponding to a part of all gateway stations.
JP2020125179A 2020-07-22 2020-07-22 Multi-beam relay communication system Active JP7536234B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020125179A JP7536234B2 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Multi-beam relay communication system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020125179A JP7536234B2 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Multi-beam relay communication system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022021553A JP2022021553A (en) 2022-02-03
JP7536234B2 true JP7536234B2 (en) 2024-08-20

Family

ID=80220514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020125179A Active JP7536234B2 (en) 2020-07-22 2020-07-22 Multi-beam relay communication system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7536234B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7571325B1 (en) * 2024-03-26 2024-10-22 ソフトバンク株式会社 Wireless relay device, gateway device and communication system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001522191A (en) 1997-10-30 2001-11-13 レイセオン・カンパニー Wireless communication using floating switching nodes
JP2007507173A (en) 2003-09-24 2007-03-22 クゥアルコム・インコーポレイテッド Mixed reuse of feeder link and user link bandwidth
WO2015114715A1 (en) 2014-01-28 2015-08-06 三菱電機株式会社 Satellite communication system, gateway, satellite repeater, communication network control station, and satellite communication method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001522191A (en) 1997-10-30 2001-11-13 レイセオン・カンパニー Wireless communication using floating switching nodes
JP2007507173A (en) 2003-09-24 2007-03-22 クゥアルコム・インコーポレイテッド Mixed reuse of feeder link and user link bandwidth
WO2015114715A1 (en) 2014-01-28 2015-08-06 三菱電機株式会社 Satellite communication system, gateway, satellite repeater, communication network control station, and satellite communication method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022021553A (en) 2022-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20250119203A1 (en) System and method for high throughput fractionated satellites (htfs) for direct connectivity to and from end user devices and terminals using flight formations of small or very small satellites
US4188578A (en) Satellite communication system which concurrently transmits a scanning spot beam and a plurality of fixed spot beams
EP0837567B1 (en) Airborne broadband communication network
US9461733B2 (en) Device and method for optimizing the ground coverage of a hybrid space system
US7027769B1 (en) GEO stationary communications system with minimal delay
KR101174727B1 (en) Systems and method for providing in-flight broadband mobile communication services
US20080311844A1 (en) Multiple Input Receiver In Satellite Communication System
EP3245747B1 (en) High altitude platform with multibeam coverage for aero-based terminals
EP1079546B1 (en) Satellite communication system using linear cell tracking
US7200360B1 (en) Communication system as a secondary platform with frequency reuse
KR102454426B1 (en) High-throughput split satellites
US6725013B1 (en) Communication system having frequency reuse in non-blocking manner
US11724825B1 (en) Methods and systems for deploying satellite constellations
JP7536234B2 (en) Multi-beam relay communication system
US11515936B2 (en) System for distributed transfer of uplink state data
US6275475B1 (en) System and method for maintaining spectral capacity in time division duplex (TDD) systems
WO2019035113A1 (en) A system that integrates a communication satellite network with a cellular network
US12368502B1 (en) System for interference mitigation in a satellite communication system
RU2118055C1 (en) Low-orbit system for regional communication
Matsuda et al. Multiple Access Technology Using Long-Range Wide-Angle Array Antennas Mounted on High Altitude Platform Station

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230607

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240315

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240416

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240613

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240716

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240726

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7536234

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150