(57)【要約】      （修正有）【課題】総合伝送時間の短縮と迅速な回線復旧を図る衛星通信用地球局に使用するパケット長可変・超小型地球局方式とその運用方法を提供する。【解決手段】降雨マージンの小さなVSTを使用し、晴天時は十分長いパケット長で信号を送受信し衛星伝送遅延時間の影響を最小とし、降雨時に信号減衰が発生した場合は、一定時間（例えば、１０秒間）以上経過しても相手局からのACK/NACK信号が受信されない場合、降雨減衰が増加し回線断状態に接近したと判断し、短いフレーム長のパケットを頻繁に送信し続け、再び相手局からのACK/NACK信号が戻り、確実に回線復旧が確認できた場合、再度長いパケット長で通信を継続する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０GHz帯を超える降雨減衰の大きな周波数帯を使用する衛星通信方式において、降雨マージンの小さな超小型地球局（VSAT）と大型地球局（基地局）の間で、パケット通信方式でデータ伝送を行う際に、
晴天時で、十分降雨マージンが大きいときには、長いパケット長で信号を送受信し、衛星伝送遅延時間の影響を最小とし、
降雨時に信号減衰が発生し、回線断状態となり、相手局からある定められた時間（例えば、１０秒間）以上経過しても、相手局からの確認（ACK)パケット信号、または、非確認（NACK）パケット信号が受信されない場合は、降雨減衰が増加し回線断状態に接近したと判断し、短いフレーム長のパケットを頻繁に送信し続け、降雨減衰が小さくなり相手局からのACK/NACK信号が戻ってきて、確実に回線復旧が確認できた場合に、再び、長いパケット長を使用して通信を継続することを特徴としたパケット長可変・超小型地球局方式、
【請求項２】
特許請求範囲１のパケット通信方式でデータ伝送を行う際に、該小型地球局の回線諸元の設定に当たって、降雨マージンの値の設定は、従来のアナログ衛星回線の設定のように、Ku帯で、１０〜１５ｄBなどの大きな値ではなく、約２〜３ｄBと小さい値として設計し、回線断時にはパケット通信方式でデータ伝送を行わず待機状態とし、特許請求範囲１の動作を実施し、回線の劣化が復旧したことを待つことで回線を継続する構成として、非常に小型のアンテナ直径、小電力送信装置により通信が実行でき、従来の大きな降雨マージンを有した衛星通信方式に比較して、低コスト地球局を使用して通信を継続することを特徴としたパケット長可変・超小型地球局方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１４/１２ＧＨｚ（Ｋｕ）帯、３０/２０GHz（Ｋａ）帯での衛星通信用地球局に使用するパケット長可変・超小型地球局方式とこの運用方法に関する。
約４０年前に、固定衛星通信が６/４ＧＨｚ帯を使用して開始されて以来、静止衛星軌道(ＧＳＯ)上に数多く打ち上げられ、ＧＳＯの混雑が問題となっている。このため、より高い周波数帯であるＫｕ帯、Ｋａ帯の使用が盛んになってきている。このような１０ＧＨｚを越える周波数帯においては、降雨による減衰が大きく、大きな降雨マージを設計時に考慮する必要があり、地球局アンテナ、大電力増幅装置（ＨＰＡ装置）の高い性能が要求され、非常に高コストな地球局となっている。
この発明は、降雨マージンの小さな超小型地球局（VSAT）と大型地球局（基地局）の間で、パケット通信方式でデータ伝送を行う際に、降雨発生による降雨減衰量に対応して、パケット長を可変とし、晴天時で、十分降雨マージンが大きいときには、長いパケット長で信号を送受信し、降雨減衰が増加し回線断状態に接近したときに、短いフレーム長のパケットを送信し、短い周期で回線状態を監視し、降雨減衰が小さくなり，回線状態が回復したときに再び長いパケット長を使用して通信を継続するパケット長可変・超小型地球局方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
GSOの混雑や衛星通信需要の増大により、使用周波数帯が6/4GHz帯から、Ｋｕ帯、Ｋａ帯に移行している。このような10GHzを越える周波数帯では、降雨減衰の問題が発生し、衛星通信方式では、大きな降雨減衰を補償するために、大型アンテナ、高出力のＨＰＡ装置が必要となる。これまでの回線設計では、一般的に、１０〜２０ｄBの降雨マージンを考慮した回線設計を行い地球局諸元を決定しており、システムのコストアップの原因となっている。
一方、従来のアナログ伝送から、デジタル伝送となり、衛星電力の有効利用、サービスの統合性、LSIなどの使用による経済的なシステム構築が可能である。特に、比較的小容量のデータ伝送は、アンテナ直径50cmから1.0m程度のVSATを使用する傾向となっている。
図１は、一般的なＶＳＡＴ衛星通信方式の構成例を示す。この例では、JCSAT社などの国内サービス用の静止衛星1を使用して、中央制御局2と、VSAT地球局３の間に回線４，５が設定され、インターネット接続用信号の伝送、医療情報伝送、教育情報伝送（e-ラーニングなど）、その他のデータ伝送、画像伝送などが伝送されることを想定している。音声信号は、即時性が必要であるが、最近のデジタル伝送の情報の中には、必ずしも即時性を要求しない情報伝送が増加している。
これらの遅延時間を許容できる信号種類には、新聞紙面情報、銀行バックアップ信号、データベースバックアップ信号、ウエッブなどのインターネット情報の中継回線なども含まれる。
【０００３】
このような遅延時間を許容できる情報伝送をＫｕ帯、Ｋａ帯などの降雨減衰の大きな周波数帯で伝送する場合には、降雨減衰対策が必要である。
この降雨減衰対策方法として、各種のダイバーシティ方式や変調方式の技術を活用した符号速度可変、相数可変方式などが検討されてきている。
例えば、図2に示すサイトダイバーシティ方式では、１０〜５０ｋｍ離れた２基の地球局４，５の間で衛星１からの信号４，５を受信し、降雨減衰５の無い地球局に切り替えて通信を継続するものであるが、複数の地球局が必要であること、エントランス線が必要であることなどの課題があり、簡易に1地球局でシステム構成したいときなどは新たな解決策が必要である。
【０００４】
本発明で議論するパケット通信方式は、連続データをパケットに分解して、受信後に合成して、元の連続信号を再現するもので、各種のパケット通信方式が地上方式などで実用化されている。このパケット通信方式を衛星経由で使用する場合には、確認（ACK)信号,非確認（NACK)信号を地球局間で送受信し、逐次確認を繰り返して通信を継続している。一方、衛星回線では、信号が往復する間に、両方向経路で、0.5秒の遅延時間が発生する。このために、ACK/NACK信号による応答に必要な無駄時間を削減するために、回線状態の良好な場合はなるべく長いフレーム長のパケット信号にして送受信することが望ましい。
図３は、Ku帯での衛星中継で、６４ｋｂ/s伝送速度の衛星中継器を使用して、静止画情報伝送したときのパケット長と所要伝送時間の関係の実測データの１例を用いて示している。衛星通信では、ACK/NACK信号による応答を返すのに往復で０．５秒必要なために、短いパケット長の場合は、所要伝送時間が長くなることが図から理解できる。このために、衛星回線では、回線の条件が良好のときは、なるべく長いパケット長で伝送する方が有利である。
【０００５】
しかし、Ｋｕ帯、Ｋａ帯での通信では、降雨減衰が発生するために、確認（ACK)信号/非確認（NACK)信号が戻って来ない場合は、降雨によりACK/NACK信号が復調できず、通信途中で相手先に到達せずに消失することがある。このときは、相手局はACK/NACK信号を待機し続けて待機し、通信が停滞してしまう障害が発生する。この場合に、降雨減衰が回復して、回線状況が良好になっても，待機が継続される。これらの問題を解決するのが、本発明のパケット長可変・超小型地球局方式である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−３２７７７２、「コンピューターネットワークシステム」：回線の送信速度を維持しつつ回線品質の変動に対応して通信可能なンピューターネットワークシステムを、送信するパケットが再送によるものか否かを判定し、再送パケットであるときは、パケット長変更テーブルにしたがって、送信パケット長を1ランク小さい値に設定する方式である。本発明の衛星特有の降雨減衰に対応して、パケット長を可変とするパケット長可変・超小型地球局方式とは異なる手法を用いている。
【０００７】
【特許文献２】特開平０９−７４５４６、「多重化装置」：ビットレートが異なる2つのデジタルデータを同期させて多重化しても初期遅延を小さくすることが出来る多重化装置を提供している。本発明の衛星特有の降雨減衰に対応して、パケット長を可変とするパケット長可変・超小型地球局方式とは異なる手法を用いている。
【０００８】
【特許文献３】特開平０９−１１６５５７２、「パケットデータ制御方式」：輻輳の伝送時に遅延の防止、高いレスポンスと高いスループットとの両立を実現するパケットデータ制御方式を、ネットワークの状態を監視及び評価し、評価結果に応じたパケット長へのパケット長変更要求を出力する伝送遅延制御装置からのパケット長を変更する方式。本発明の衛星特有の降雨減衰に対応して、パケット長を可変とするパケット長可変・超小型地球局方式とは異なる手法を用いている。
【０００９】
【特許文献４】特開平１１−２５９２２０、「座標検出装置及びそのデータ転送方法」：検出座標などのデータを効率的に転送する座標検出装置とデータ転送方法で、ペンアップ時のパケット構成は、座標データ転送時に比べて短くすることを特徴としている。本発明の衛星特有の降雨減衰に対応して、パケット長を可変とするパケット長可変・超小型地球局方式とは異なる手法を用いている。
【００１０】
【特許文献５】特開２０１２−３１４５９６、「パケット通信システム」：非リアルタイムパケットの送出に係わる時間を調整し、リアルタイムパケットの送出遅延の増大を防止するために、音声信号（リアルタイム情報）の入力検出の音声検出部、データ信号（非リアルタイム情報）をパケット化するデータパケット作成部などにより、検出した信号によりパケット長の長さを決定するシステムである。本発明の衛星特有の降雨減衰に対応して、パケット長を可変とするパケット長可変・超小型地球局方式とは異なる手法を用いている。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、晴天時の回線Ｃ/Nが良好な状態では、十分長いパケット長で伝送し、降雨により回線Ｃ/Nが劣化した状態では、待機状態とし、短いパケット長の信号を頻繁に伝送し、回線状態の回復により、ＡＣＫ信号の相手局からの応答を待ち、ＡＣＫ信号が確実に戻ってきたときに、再び長いパケット長で伝送し、総合伝送時間の短縮と迅速な回線復旧を図ることを目的とする。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
(１)降雨減衰の大きな周波数帯での地球局の低コスト化
10GHzを越えるＫｕ帯、Ｋａ帯周波数帯などでは、降雨減衰の問題が発生し、大きな降雨減衰を補償するために、一般的に、１０〜２０ｄBの降雨マージンを考慮した回線設計を行い地球局諸元から大型アンテナ、高出力のＨＰＡ装置が必要となりシステムのコストアップの原因となっている。
このために、信号をパケット化し順次送信し、受信局で再構成することで、オリジナルの信号を再生するパケット通信が注目されている。
【００１３】
(２)降雨減衰に適応したパケット長の適応方式の開発
デジタル信号を送受信する方式として、連続データをパケットに分解して、受信後に合成して、元の連続信号を再現するパケット通信方式が地上方式などで実用化されている。このパケット通信方式を衛星で使用する場合には、ACK/NACK信号を地球局間で送受信し、逐次確認を繰り返して通信を継続している。一方、衛星回線では、信号が往復する間に、両方向経路で、0.5秒の遅延時間が発生する。このために、ACK/NACK信号のやり取り毎に膨大な時間が掛かる欠点がある。このACK/NACK信号による応答に必要な無駄時間を削減するために、なるべく長いフレーム長のパケット信号にして、送受信することが望ましい。
しかし、Ｋｕ帯、Ｋａ帯での通信では、降雨減衰が発生するために、ACK/NACK信号が途中で消えると、ACK/NACK信号を待機し続けてしまい、通信が停滞してしまう障害が発生する。これを解決するために、本発明では、降雨時には短いパケット長の信号を頻繁に送信し、ＡＣＫ信号が相手先地球局から戻ってきたときに、順次パケット長を長くし、回線状態が十分良好になったときに最も長いパケット長の信号を送信することを考える。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
(１)地球局の低コスト化のための方策
従来のアナログ信号や、連続データ信号の送信には、大きな回線Ｃ/Nが必要であるために、大型の地球局設備が必要となっていた。パケット伝送方式は、デジタル信号をパケットと呼ばれるフレームに分解し、フレームの先頭に宛先のアドレス、発信元アドレス、パケット順番号などのヘッダを付加して送信する。受信局では、この発信元アドレス、パケット順番号などのヘッダ情報により原信号を再構成し、所要のデジタル信号を再現する。
相手先に送信した信号が確実に受信できたときにＡＣＫ信号が戻り、受信できなかったときにＮＡＣＫ信号が送られてきて、再送を行う構成となっている。パケット伝送方式を使用することで、短いパケット信号(すなわち、遅い伝送速度の信号)を伝送するだけの回線Ｃ/Nを確保するだけで良いために、低い回線Ｃ/Nで情報伝送が可能となり、小型の地球局でも通信の可能性を拡大することが出来る。
【００１５】
(２)降雨減衰に適応したパケット長での適応方式の開発
パケット伝送方式では、相手先に送信した信号が良好に受信できたときにＡＣＫ信号を送信局に戻し、誤りが発生したときは、再送要求のためのＮＡＣＫ信号を相手局に戻す。晴天時で、信号減衰の無い場合は問題ないが、降雨により信号減衰が発生し、回線Ｃ/Nが劣化してくると、ＡＣＫ信号、ＮＡＣＫ信号が戻らず、そのままでシステムが停止または終了することになってしまう。
この問題を解決するために、降雨で回線Ｃ／Ｎの劣化が発生し、ＡＣＫ/ＮＡＣＫ信号が一定時間（例えば、１０秒）経過しても、戻ってこないときは、回線断となったものとして検知されると、パケット長を短縮（例えば、1/10の長さに短縮）し、相手先からＡＣＫ/ＮＡＣＫ信号が戻ってくるまで、連続的にパケットを送信し続けることで、相手先からの信号が検出できた段階で、回線Ｃ/Nが改善されたことを検出し、パケット長を元の長さに戻して通信を継続する手段を用いる。相手先の戻り信号を待ち続けることによるパケット回線の終了を回避できる。
【発明の効果】
【００１６】
降雨マージンの小さい回線を構成し、パケット通信方式で送受信し、晴天時には長いパケット長、降雨時には短いパケット長で伝送することにより以下のような効果が考えられる。
（１）従来のパケット通信方式では、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信号が戻ってこないと、いつまでも信号の受信を待機し、通信が継続できなくなるが、この方式を使用することで、連続送信されている短縮されたパケット長が相手側に到達したときに、パケットの到来を検出でき、これにより通信を再び継続することができる。降雨減衰の大きな周波数帯では、このような減衰による回線断が発生する確率が大きく、パケット長可変・超小型地球局方式の原理は有効である。
（２）超小型アンテナと低出力の大電力増幅装置（ＨＰＡ)の使用により、システムの低コスト化が図れ、新しい衛星通信の利用分野を開拓できる。小型地球局装置により、装置の移動・携帯が可能となり、自然災害などの非常災害時に、車載またはヘリコプターなどでの運搬が容易で、迅速な回線設定が行える。
（３）パケット通信方式の採用により、パケット送信ごとにＡＣＫ／ＮＡＣＫ信号を戻すために、誤りの無い通信が可能である。
（４）晴天時には、長いパケット長としているために、ＡＣＫ／ＮＡＣＫ信号を戻す度毎の衛星往復遅延時間（０．５秒）の影響を少なくすることが可能であり、伝送時間を短縮できる。
【００１７】
（５）降雨時には、短いパケット長の信号を頻繁に送信することで、回線状態が復旧したかどうかを迅速に検出することが出来、伝搬状態の改善に伴い、すばやい回線復旧が可能となる。
（６）降雨時に短いパケット長の信号を頻繁に送信することで、雨域の移動で、たまたま減衰量の小さい通信経路が発生することも考えられ、このときには、送信局のＡＣＫ／ＮＡＣＫ信号が戻ってくることもあり、回線が継続される可能性がある。これは、長いパケット長では不可能である。
（７）従来の一定のパケット長で送受信を行う方式では、降雨時の回線断により情報伝送は中断され、再度、最初から通信を開始する必要があり、回線中断前までに伝送した情報は無駄になる。本発明の方式では、回線Ｃ／Ｎが劣化して回線断が生じても、待機状態を継続し、回線状態が回復してから送信を開始するために、データの連続性が維持できる。
（８）短いパケット長で回線状態をチェックしながら次第にパケット長を増加してゆき、最終的に晴天時の長いパケット長としており、無駄の無い効率的な情報伝送が可能となる。本発明は、衛星通信方式で説明を行っているが、デジタル信号の地上伝送、マルチパス干渉による信号変動が生ずる移動体無線方式などでの情報伝送にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一般的なＶＳＡＴ衛星通信方式の構成例を示す。
【図２】一般的なパケット長と伝送時間の関係を示す。
【図３】従来のパケット伝送方式で降雨減衰が発生したときの回線断の状況を説明するためのブロックダイアグラムを示す。
【図４】本発明のパケット長可変・超小型地球局方式において、降雨減衰が発生したときの回線断の状況を説明するためのブロックダイアグラムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
この発明は、降雨マージンの小さな超小型地球局（VSAT）と大型地球局（基地局）の間で、パケット通信方式でデータ伝送を行う際に、降雨発生による降雨減衰量に対応して、パケット長を可変とし、晴天時で、十分降雨マージンが大きいときには、長いパケット長で信号を送受信し、降雨減衰が増加し回線断状態に接近したときに、短いフレーム長のパケットを送信し、短い周期で回線状態を監視し、降雨減衰が小さくなり，回線状態が回復したときに再び長いパケット長を使用して通信を継続するパケット長可変・超小型地球局方式を実現する。
【実施例】
【００２０】
図２は、衛星回線を経由したときに、データを６４ｋｂ/sの通信速度で、静止画情報を伝送する際に、パケット長を変化させたときの、パケット長と伝送時間の関係を示す。図に示されるように、パケット長が長いほど、衛星往復に必要な遅延時間（０．５秒）の影響が軽減できて、伝送時間が短くなる。逆に、短いパケット長を使用すると、遅延時間の影響が大きくなり、所要の伝送時間が長くなる。
さらに、回線C/Nが劣化してくると、パケット長伝送中に誤りを生じて、NACK信号が戻ってくるために、再送が必要となり、さらに伝送時間が長くなる。
このため、パケット長可変・超小型地球局方式では、以下の構成とすることで、降雨減衰対策と経済的なシステム構成を実現している。
（１）地球局のアンテナ直径、送信出力などのパラメーター選定に当たって、従来のよう雨な大きな降雨マージンは確保せず、約２〜３ｄBの降雨マージンとしておく。これにより、Ku帯での年間不稼働率は、年間約１％となる。この値は、地球局コストと品質のトレードオフとなり、地球局コストを掛ければ、品質（年間不稼働率)は向上する。しかし、実時間要求の比較的小さいデータ伝送の場合は、許容できる値であろうと考えられる。
（２）晴天時で、回線C/Nが良好な状態では、十分長いパケット長を採用し、年間の時間率９９％のほとんどの時間で良好な情報伝送が可能である。
（３）大きな降雨マージン、または、トラフィック混雑時には、パケット伝送が不可能となり回線断となるために、相手局からのACK,NACK信号も受信できなくなる。既存のパケット通信方式では、回線終了となり、再発呼が必要となる。衛星回線では、雨域の移動で降雨減衰が減少すると、必ず回線状態は回復することを考えて、待機状態として回線状態の回復を待つような回線制御プログラムとしておく。このプロセスは、ある程度の時間（例えば、１０秒間）が経過して応答が無く、回線断と判断されるときに、短パケット長モードに移行する。
（４）短パケット長モードでは、晴天時のパケット長より、パケット長を短くし、この短パケット長で頻繁に信号を送信し、回線が回復して、ACK信号が戻ってくるのを待つ。ACK信号が確実に戻ってきたときに、再び十分長いパケット長に変更して、送信し、迅速な回線復旧を可能とすると共に、総合的な伝送時間短縮を可能とする。
【００２１】
図３は、衛星基地局６と小型地球局７間での通信において、衛星１と小型地球局７の回線で降雨減衰８が発生して時の状態を示している。降雨減衰８の発生したときには、小型地球局７から送信したパケット信号は、衛星基地局６に到達しないものと仮定する。
図４は、本発明のパケット長可変・超小型地球局方式において、降雨減衰が発生し信号減衰が発生したときの、２地球局間の回線断での信号強度、パケット長などを説明するためのブロックダイアグラムを示す。図の横軸は、時間経過（t）を示し、縦軸には、図の最上部から天候（晴天、降雨）、C/N値（上部がC/N値が大、下部がC/N値が小）、および、中間部分に回線断値のレベルが点線で示される。最下部は、基地地球局６と小型地球局７の信号送受信の状況を示している。図の中間部に示すような回線のC/N値が変化し、降雨減衰８が発生すると、C/N値は大幅に低下し、回線断値を切ると相手局からの信号を受信できなくなる。
晴天時で、C/N値が大きい状態では、長いパケット長のパケット信号１０，１２，１４を地球局７から送信する。送信パケットは、衛星１を経由して地球局６に到達し、誤り無く受信できると、良好受信確認のACK信号１１，１３、１５が戻り、情報は完全に伝送され復調される。回線断値を超えた降雨減衰８が発生すると、例えば、パケット信号１６は減衰し、回線断状態となり、相手地球局６には到達しない。このため、地球局６からはACKまたはNACK信号が戻ってこず、従来のパケット通信方式では、ここで回線終了となり、適切な時間の後で、再接続して通信を継続することになる。
本発明では、一定の待ち時間（例えば、１０秒）経過して、ACK信号が戻らないことが確認されると、短いパケット信号１８，１９，２０、２１を連続的に送信し続ける。回線状態を改善され、短いパケット信号２１が地球局６に到達し、ACK信号２２が戻り，回線が設定されたことが判定されると、中間の長さのパケット信号２３を送信し、ACK信号２４が戻り、回線状態の復旧が確認されると、長いパケット２５などが順次送信される。途中で短時間の瞬時減衰３０などが発生して、瞬断が発生するとNACK信号２６が戻り、再送パケット信号２７が送信され、以下同様に通信が継続される。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
（１）本発明では、衛星通信回線を例に説明しているが、地上回線で遅延のある回線、または、輻輳が発生して、スループットが劣化した回線などで、短いパケット信号を頻繁に送信することで回線を切断することなく維持しておき、回線の状態を回復したときに、通信を再開することが可能となる。
（２）小型アンテナ、低出力送信機の使用により、大きな降雨マージンを確保せずに、年間のほとんどの時間帯（約９９％）で通信を実行できる本方式の考え方は、地上マイクロ波方式やさらに高い周波数（例えば、６０GHｚ帯など）での無線LANなどの回線構成法として応用できる。これにより、降雨などの減衰の大きな周波数帯での低コストシステムを構成できる。
(３)これまでの説明は、衛星通信方式であるが、携帯電話などの移動体通信方式へ適用することで、呼の輻輳時、他のサービスエリアへの移動中の回線断などが発生したときも、短いパケット信号を頻繁に送信することで通信を継続し、再発呼することなく通信を継続することを可能とする。
【符号の説明】
【００２３】
１：衛星、２：中央制御局、３：VSAT地球局、４、５：回線信号、６：基地地球局、７：小型地球局、８：降雨減衰、１０，１２，１４，１６，２５，２７：長いパケット長のパケット信号、１１，１３，１５，２２、２４，２８：ACK信号、２６：NACK信号、１８，１９，２０，２１：短いパケット長のパケット信号、２３：中間の長さのパケット信号、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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