(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サービス地域の上空にプラットフォームを配置した無線通信システムにおいて、
上記プラットフォーム直下を中心とする円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、上記円形状のセルの周りに少なくとも１つの円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置し、
上記プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことで、サービス地域を維持するようにしたことを特徴とする円環状セルを用いた無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラットフォームを用いた無線通信システムに関しており、特に、サービス地域の上空に滞留する成層圏プラットフォームの向きが変わることによる影響を受けづらい構成をもった、円環状セルを用いた無線通信システムに関している。
【０００２】
【従来の技術】
超短波帯や極超短波帯の周波数を用いながら広域をカバーする商業用無線通信システムでは、それぞれが狭い範囲を受け持つ多数の基地局で構成されることが多い。1つの基地局がカバーする範囲はセルと呼ばれ、その半径は商業用の無線通信システムである携帯電話では１〜５ｋｍ程度、同様に商業用の無線通信システムであるＰＨＳでは100〜500ｍ程度であり、全体のサービス範囲に、基地局をある間隔で配置する多セル構成が採られている。このような多セル構成にするひとつの理由は、少数の大電力基地局が広い範囲をカバーするよりも、多数の小電力基地局がそれをカバーする方が、周波数資源の利用効率が高い事が挙げられる。すなわち、周波数資源を有効に活用でき、与えられた周波数帯域で、より多くの端末数を収容できるからである。
【０００３】
この理由は、このような多セル構成としたシステムで、隣接したセル同士は、信号の干渉を避けるために同一時刻に同一周波数チャネルを使えないが、隣接せず少し離れたセルでは干渉をあまり受けずに、同一時刻に同一周波数チャネルを使えるためである。さらに、同じ周波数チャネルを一定距離おきに繰り返し使用することにより、周波数資源の利用効率を向上させることができる。
【０００４】
例えば、図１に示すように、その通信システム全体の周波数帯域を7つに細分化して、蜂の巣状のセル配置とし、このセルに一つずつ周波数帯域を割当て、しかも、隣接するセルでは、同じ周波数帯域を持たないように、７つの周波数帯域を繰り返し割り当てる様にする。図１に示すセルの構成法は、上記の商業用の無線通信システムの携帯電話やＰＨＳ等の無線システムでは典型的なセルの構成法で、各セルの中心にある基地局を結ぶ線が正三角形を成す構成となる。
【０００５】
因みに、最近サービスが開始された商業用の無線通信システムであるＣＤＭＡ方式の無線システムでは、隣接セルは同じ周波数チャネルであるが、違う符号を使って干渉を避けており、周波数か符号かの違いはあるが、やはり周波数資源の利用効率を高めるために、符号に関して全く同じようなセル構成をとっている。
【０００６】
図１は、一般的な蜂の巣状セルの構成を示すが、このセルの構成では、内部の１つのセルに着目すると、回りに６個の隣接セルがあるため、自分自身も含めて通常７つの細分化された別々の周波数帯域をそれぞれのセルに割り当てて運用することにより高い周波数資源の利用効率を実現している。しかし、携帯電話の端末数の急激な増加のために、更に周波数資源の利用効率を向上する技術開発が望まれている。
【０００７】
例えば、もし、各セルの面積が同じで周波数繰り返し数を減らすことができれば、更なる周波数資源の利用効率の向上が期待できる。例えば、同じ単位セルの大きさで周波数繰り返しの単位数を半分に減らすことができれば、その利用効率を2倍にでき、通信システムとしては、2倍のユーザ端末局を収容できる、または、同じ数の端末局を半分の周波数帯域幅で収容できる。
【０００８】
上記の場合は、７つの細分化された別々の周波数帯域に分けたが、ここで、一般に４色問題として知られている地図の色分けと同様に、複数の任意の形状の領域については、４つの周波数帯域に分ける事によっても周波数帯域を繰り返し割り当てることも可能である。
【０００９】
また、上記のセル配置を構成するために用いる基地局は、それぞれのセル内部から見通しの良い場所に設置することが望まれる。このため、高空に何らかの方法で基地局を設けることが検討されている。その方法としては、例えば、無人あるいは有人の飛行機を飛ばして、ほぼ定点位置に止まるようにする事や、気球を飛ばして、それに基地局を設ける事が挙げられている。特に、飛行船を用いる方法では、飛行機よりも高空に上昇でき、成層圏に高度を維持することが容易であることから、そこに留まる飛行船を用いることにより、そのカバー範囲を広く取れる。これは、成層圏プラットフォームとして注目されている。
【００１０】
成層圏プラットフォームとは、高度20km程度の成層圏に長期間定点滞空できる飛翔体のことである。その滞空高度が高いために電波の中継基地や基地局として極めて有用であることから、現在世界各国で研究されている。その飛翔体の候補としては、大型の無人飛行船で、日本や欧米での検討から、全長200mクラスの巨大飛行船がある。成層圏プラットフォームは、利用の予想される大都市上空に静止した人工衛星（現実には静止衛星は赤道上空約36000kmの軌道でしか実現できない）が実現したのと同じ効果を持つ。しかも、静止衛星よりも高度が低いために、伝搬遅延が少なく、しかも、同じ周波数で同じ大きさのアンテナを使い同じ伝送速度を実現するための通信に必要な送信電力は、その数十万分の１以下で済んでしまう。また、地上系の無線システム（例えば商業用携帯電話）と比較すると、基地局とユーザ端末局間の距離は多少遠いが、ほとんどのユーザ端末局の場所で成層圏プラットフォームが見通せるために、地上系の無線システムで見通しのきかない場合よりも電波の減衰が少なく有利である。そのため、高速で大容量の無線通信システムの構築に極めて適したインフラストラクチャと期待されている。
【００１１】
成層圏プラットフォームの特徴は、通信システムに適した高度20km程度という位置から電波を送受信できることである。このような、1つのプラットフォームで直径100km以上の広い範囲をカバーできる。また、この成層圏プラットフォームを用いて無線通信システムを構築するときに、全体の収容局数を多くするため、地上系システムと同様な小さなセルに分割して周波数有効利用を図る事が望まれる。
【００１２】
このような成層圏プラットフォームでは、機体の方位が風向きによってあらゆる方向に変化する。そこで、成層圏プラットフォームから発射される電波のビーム方向の変動を無くすために、従来の蜂の巣状のセルで構成されたサービス地域に用いるアンテナでは、基地局から見た電波のビーム方向を常に一定に保つために、成層圏プラットフォームのアンテナの方位角を任意に変えられる機械的なターンテーブルが用いられる。しかし、このような機械的なターンテーブルの重量は比較的大きいため、大型の機体にならざるを得ないという問題があった。しかも、成層圏プラットフォームの回転に合わせて、連続的に何回転もできるようにする必要があるが、そのためには、機械的なターンテーブルの軸上に電源線や信号線を通すためのスリップリングやロータリージョイントを使う必要があり、これらが信頼性の低下の一因となっていた。
【００１３】
また、ビーム方向を任意に電子的に設定できるビームフォーミングアンテナを使うことにより、上記の機械的なターンテーブルをなくすことも可能であるが、そのようなアンテナは、制御系が非常に複雑であり、多くの信号処理系を備える必要があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様に、従来の無線通信システムでは、サービス地域を多セルに分割する構成が用いられてきたが、さらなる周波数資源の利用効率の改善が求められており、また、これまでに提案された成層圏プラットフォームでは、そのサービス地域を分割するセル構成は、従来の構成と同様に蜂の巣状であり、したがって、重量の嵩む機械的なターンテーブルか、制御系が非常に複雑であり多くの信号処理系を備える必要のあるビームフォーミングアンテナを、使う必要があった。
【００１５】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、高い周波数資源の利用効率を実現し、成層圏プラットフォームに搭載した場合でも、容易に、成層圏プラットフォームの転向に対処することができる円環状セルを用いた無線通信システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、円環状セルを用いた無線通信システムに関しており、サービス地域の上空にプラットフォームを配置した無線通信システムにおいて、上記プラットフォーム直下を中心とする円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、上記円形状のセルの周りに少なくとも１つの円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置し、上記プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことで、サービス地域を維持するようにしたことを特徴としている。
【００１７】
そのような円環状のセルを持ったサービス地域のセル構成は、アンテナの指向性により形成するものであるが、複雑なビーム形状を少数のアンテナで構成することも可能であり、また、アンテナの設置面積は増加するものの、単純な構成とすることも可能である。更に、アンテナ重量を軽減することができ、プラットフォームの姿勢変動にも容易に対処できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、高空に設けられた成層圏プラットフォームを用いるものであり、また、その高空に設けられたという特徴を生かして、セル形状を工夫することにより、周波数繰り返し単位数を２に減じて周波数資源の利用効率を高め、さらに、方位方向の補正をする必要を無くす様にしたものである。より具体的には、本発明のセル形状を、図２に示すように、成層圏プラットフォーム直下を中心とした同心円で分割される円環状のセル構成とするものである。
【００１９】
地上系の携帯電話システムのような場合には、電波の伝搬方向がほとんど地平線と平行な水平方向のため、直線偏波（水平偏波あるいは垂直偏波）を用いることができ、特にアンテナの構造が簡単になる垂直偏波が使われることが多い。
【００２０】
しかし、移動体衛星通信のような高空にある基地局と通信する無線通信システムでは、衛星とユーザ端末局との向きを含めた位置関係が不特定となり、水平偏波あるいは垂直偏波を用いるとアンテナの向きを調整する必要があるため、一般に電波の偏波方向がアンテナの姿勢に依存しない円偏波の電波が用いられる。
【００２１】
本発明の場合は、円偏波と、直線偏波とのいづれによっても実現することができるので、円環状セルを実現する構成例を、１）円偏波の場合と、２）直線偏波の場合とに分けて以下に述べる。いずれの場合にも、円環状セルを実現するためには、一定仰角だけに指向性があり、しかも方位角方向には無指向の回転対称な、図３に示すような指向性形状のビーム（ファンビーム）を持つアンテナが必要となる。
【００２２】
１）円偏波の場合
まず、円偏波でファンビームを持つアンテナとしては、図４に示すようなヘリカルアンテナが良く知られており、これは、最近ではイリジウムやＩＣＯシステムと呼ばれる低軌道衛星を用いた移動通信システムの端末局アンテナとして実用されている。このヘリカルアンテナは、円筒形の誘電体の筒に線を巻いただけの簡単な構造であるが、巻き回数を変えることによりビームの幅（円環状セルの幅に対応する）を変えることができ、また、巻きピッチや筒の直径を変えることによって指向方向の立体角（ドーナツ状セルの平均直径に対応する）を変えることができる。また、円筒の誘電体の誘電率を変えることでも指向方向の立体角を制御できる。さらに、よく知られているように、１線巻、２線巻、４線巻等のバリエーションがあり、それぞれの特徴により構成は僅かに異なるものの本質的には同様の構成により、これらを用いることができる。この様な、仰角方向のアンテナ指向パターンの例を図５に示す。これは、上記の２線巻ヘリカルアンテナの例である。
【００２３】
このようなヘリカルアンテナを素子アンテナとするもので、その指向方向の立体角が違うものを複数個同時に使用することにより、同心円上の円環状セル構成を実現することができる。複数個の並べ方としては、縦に並べて長いアンテナとすることもできるが、非常に細長くなるので、図６に示すように平面に分散させて並べる方が合理的である。一般的に、成層圏プラットフォームの機体表面面積は大きいので、平面的に並べるのが適していると言える。なお、直下方向の中心のセルだけは円環状ではなく、円形となるが、それに必要な軸方向の指向性を持つヘリカルアンテナも製作可能であり、これを用いるものである。
【００２４】
アンテナの大きさとしては、使用する周波数にもよるが、移動通信に良く用いられる周波数として、５００MHから２GHzであり、この場合は、基地局のアンテナ利得としては、５ｄBiから１０数ｄBi程度の利得が得られるものが望ましいが、このためには、ヘリカルアンテナのサイズは、直径20ｍｍ程度、長さ数十ｃｍ程度で、隣のアンテナとの間隔は数十ｃｍ程度あければ良く、その重量は、１個当り５〜１０ｋｇ程度である。用いる周波数が低くなるに従って、アンテナの大きさが大きくなり、本発明に用いるには、実用的でなくなる傾向にある。また、周波数が高くなるにしたがって、ヘリカルアンテナでは放射効率が低くなって利得が十分取れなくなり、やはり実用的でなくなる傾向にある。
【００２５】
２）直線偏波の場合
次に、垂直偏波の場合の円環状セルを実現する例を述べる。既に知られている様に、商業用の地上系携帯電話基地局アンテナとして使われているダイポールアレイアンテナの各素子ダイポールに給電する信号の位相を調節して下方向にチルトさせた指向性を持たせることが可能である。この模式図を図７に示す。そのチルト角の違う複数のダイポールアレイアンテナを用いることにより、円環状セルを構成できる。ただし、成層圏プラットフォーム直下方向の中心のセルだけは、ダイポールアレイアンテナでは軸方向の利得がないため、真下方向のビームだけは、ダイポールアレイアンテナとは別の、ホーンアンテナやヘリカルアンテナ等を用いる必要がある。しかし、その真下方向には、原理的に垂直偏波の放射はできないので、水平偏波あるいは円偏波を用いざるを得ない。このため、高いアンテナ利得は期待できないが、真下方向は距離が近いため、実用上は問題無い。
【００２６】
成層圏プラットフォームは、例えば、都心上空に滞空させることができる。この特徴を活かして構成した、５つのセルからなる通信システム例を図８に示す。シミュレーションにおけるこのプラットフォームは、上空約20ｋｍに滞空させることのできる直径65ｍ、長さ245ｍの飛行船に搭載したものである。
【００２７】
人工密度が高く、電波を遮蔽する恐れのある高層ビルの多い都心には、成層圏プラットフォーム直下方向の円形ビームが向くようにして、そのビームだけは例えば通常のホーンアンテナやパッチアレイアンテナ等で作る。また、そのすぐ外側に第１の円環状セル用のビームをヘリカルアンテナで作り、さらに外側に第２、第３の円環状セル用のビームをヘリカルアンテナで作る。図８の例では、外側にいくにしたがって、円環セルの幅を狭めてそれぞれのセルの面積がほぼ同じになるようにしているが、都心から離れるほど人工密度も低くなる場合には、外側のセルほど面積を大きくすることが望ましい。
【００２８】
図９は、それぞれのセルの幅を同じとした場合（外側にいくにしたがって徐々にセル面積が大きくなる）を示し、図１０は、搭載アンテナの各ビームの幅を同じとして結果的に外側のセルほどセル幅が広くなる場合（外側にいくにしたがって、急激にセル面積が大きくなる）を示す。いずれの場合でも、セル当りのユーザ端末局数を均等にしておくことが望ましい。
【００２９】
上記の成層圏プラットフォーム機体の姿勢は、上空の風の向きや強さの変化によって変ることがある。特に、方位は風の方向によってあらゆる方向に変る可能性があるので、その対策が必要である。
【００３０】
この点において、本発明では、サービス地域を、成層圏プラットフォーム直下点を中心として回転対称な円環状のセル構成としているので、回転については、さらなる対策を施す必要はない。また、その他の姿勢変動であるロールとピッチの変動は通常数度以内のわずかなものであるので、既によく知られた機械駆動装置を用いて、アンテナ全体の基台を姿勢変動と反対方向に動かし、予め決められた地点に、円環状のセルの中心が来るようにすることにより、ロールとピッチの変動対策を施すことがきる。また、成層圏プラットフォームが風で僅かに流された場合でも、上記の様に、予め決められた地点に、円環状のセルの中心が来るようにすることにより、サービス範囲を維持することができる。このように、サービス地域を、円環状のセル構成とし、アンテナのビームパターンもそれに合わせた構成とすることにより、成層圏プラットフォームを使った無線通信システムは、これまでに提案された構成に比べて、アンテナの姿勢を制御するための機構が簡単になった。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３２】
本発明により、１つのドーナツ型セルは、内側と外側のセルの２つのセルにしか接しないため、周波数繰り返し数を最小である２としても、隣接セルで用いる信号間同士の干渉が起こらず、周波数資源の利用効率を大幅に高めることができるようになった。また、同一セル内にいるどの端末局からでも成層圏プラットフォーム基地局までの距離はほぼ一定のため、その成層圏プラットフォームからの電波について、基地局側での受信レベルが各セル毎にほぼ一定で、通信システムの設計が容易になった。さらに、伝搬に要する時間（伝搬遅延）もほぼ一定のため、高速パケット通信において、基地局でのパケット受信タイミングのバラツキが少なく、ガードタイムを少なくしたシステムが構築できるようになり、このため、高速パケット通信での回線使用効率が向上した。また、セルが成層圏プラットフォーム直下点を中心とした点対称の同心円環であるため、成層圏プラットフォーム機体の機首方向が風向の変化によってどの方向を向いてもアンテナを固定したままでサービス範囲を一定に保つことができるようになった。
【００３３】
また、円形状のセルを形成するホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナと、円環状のセルを形成するヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナと、を基台上へ平面的に配置ことにより、アンテナの構成が簡単になった。
【００３４】
また、プラットフォームの姿勢変動と反対方向へ基台を動かすことにより、プラットフォームのローリングやピッチング、あるいは少しの漂流に対して、サービス地域を維持できるようになった。
【００３５】
さらに、円形状のセルを形成するためにホーンアンテナあるいはパッチアレイアンテナを用い、円環状のセルを形成するためにヘリカルアンテナあるいはダイポールアンテナを用いることにより、搭載アンテナを軽量にすることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な蜂の巣状セルの構成を示す模式図である。
【図２】成層圏プラットフォームを使った円環状セル構成無線システムの概念図である。
【図３】要求される素子アンテナのビームパターンを示す模式図である。
【図４】ヘリカルアンテナ素子の例を示す模式図である。
【図５】ヘリカルアンテナ素子の仰角方向指向パターン例を示す図である。
【図６】素子アンテナを複数個配置する配置例を示す模式図である。
【図７】円環状セルを構成するための、チルト角の違う複数のダイポールアレイアンテナを示す模式図である。
【図８】等面積円環状セル構成の例示す模式図である。
【図９】等セル幅円環状セル構成の例示す模式図である。
【図１０】等ビーム幅円環状セル構成の例示す模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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