(57)【要約】【課題】航行中の航空機に対して効率的な無線通信サービスを提供するために有利な技術を提供する。【解決手段】航空機に搭載された通信装置に無線通信を提供する地上設置型の基地局用のアンテナ・アレイは、それぞれ独立にビームの方向を設定可能な複数のアンテナ素子を備え、複数のアンテナ素子により形成されるビームが航空機の航行高度に分布するように各ビームの方向が設定される。【選択図】図２
2017092814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載された通信装置に無線通信を提供する地上設置型の基地局用のアンテナ・アレイであって、
それぞれ独立にビームの方向を設定可能な複数のアンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子により形成されるビームが航空機の航行高度に分布するように各ビームの方向が設定されることを特徴とするアンテナ・アレイ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子によるビームが重力方向に並ぶように各ビームの方向が設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ・アレイ。
【請求項３】
前記複数のアンテナ素子のそれぞれは、交差偏波を送信可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ・アレイ。
【請求項４】
前記複数のアンテナ素子のビームの方向は前記複数のアンテナ素子のチルト角を制御することによって設定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のアンテナ・アレイ。
【請求項５】
前記基地局によって構成されるセルは複数のセクタに分割されており、
前記複数のアンテナ素子によって１つのセクタが構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のアンテナ・アレイ。
【請求項６】
地上設置型の基地局であって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載のアンテナ・アレイと、
前記アンテナ・アレイを用いて、航空機に搭載された通信装置と信号を通信する制御装置と、
を備えることを特徴とする基地局。
【請求項７】
前記制御装置は、前記航空機の飛行データに基づいて、前記アンテナ・アレイにより受信された信号のドップラー補償と周波数変換との少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項６に記載の基地局。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の基地局と、
前記基地局と外部ネットワークとを接続する制御局と、
を備えることを特徴とする無線通信システム。
【請求項９】
航空機に搭載される通信装置であって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載のアンテナ・アレイと通信するためのアンテナと、
前記航空機内のユーザ端末と通信するためのネットワークインタフェースと、
前記アンテナ及び前記ネットワークインタフェースによる通信を制御するための制御部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項１０】
前記制御部は、伝搬路等化装置又は干渉キャンセル装置を含むことを特徴とする請求項９に記載の通信装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記航空機の飛行データに基づいて、前記アンテナにより受信された信号のドップラー補償と周波数変換との少なくとも一方を行うことを特徴とする請求項９又は１０に記載の通信装置。
【請求項１２】
前記通信装置は、ＬＴＥの基地局又はＷＬＡＮのアクセスポイントとして機能することを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ・アレイ、基地局、無線通信システム及び通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、航行中の航空機内のユーザ端末への無線通信サービスは、静止軌道衛星を用いて信号を送受信する衛星通信システムによって提供されている。しかし、衛星通信システムは、高価であること、伝搬遅延が長いためにリアルタイムサービスの提供が困難であること、衛星通信システムで使用されるＬバンドの通信帯域幅が広くないためにブロードバンド通信サービスの提供が困難であることなどの欠点を有する。そこで、特許文献１〜４は、地上に設置された基地局を用いて航行中の航空機内のユーザ端末へ無線通信サービスを提供することを提案する。この無線通信サービスでは、ＴＤＭＡ（時分割多元接続）やＣＤＭＡ（符号分割多元接続）などの多元接続方式が用いられるとともに、複数のセルで構成されるマルチセル方式が用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−７５８３４号公報
【特許文献２】特表２０１３−５１１１７７号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／０２０００４５号明細書
【特許文献４】米国特許第７６４００１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
航空機内のユーザ端末にブロードバンド通信サービスを効率的に提供するために、サービスエリア内を航行する複数の航空機に同時にサービスを提供しながら、周波数利用効率を高くすることが望まれる。しかし、引用文献１〜４で提案される技術には、周波数利用効率に改善の余地がある。本発明の目的は、航行中の航空機に対して効率的な無線通信サービスを提供するために有利な技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題に鑑みて、航空機に搭載された通信装置に無線通信を提供する地上設置型の基地局用のアンテナ・アレイであって、それぞれ独立にビームの方向を設定可能な複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子により形成されるビームが航空機の航行高度に分布するように各ビームの方向が設定されることを特徴とするアンテナ・アレイが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
上記手段により、航行中の航空機に対して効率的な無線通信サービスを提供するために有利な技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一部の実施形態の無線通信システムの構成例を説明する図。
【図２】図１の基地局の一例を説明する図。
【図３】図１の航空機に搭載される通信装置の一例を説明する図。
【図４】セクタに分割されたセルを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。本発明の一部の実施形態は、航空機向けの無線通信システムに関する。図１を参照して航空機向けの無線通信システムの一例について説明する。以下に説明される航空機向けの無線通信システムは、携帯電話向けの無線通信システムをベースとしており、携帯電話向けの無線通信システムと同様の構成要素を有する。
【０００９】
図１の無線通信システムは、とりわけ、複数の基地局１００と、中継局１０２と、制御局１０３と、航空機１０１に搭載される通信装置３０１（図３）とを備える。複数の基地局１００と、中継局１０２と、制御局１０３とは地上に設置される。そのため、これらの地上に設置される構成要素で構成されるシステムを地上システムと呼んでもよい。無線通信システムは、航行中の航空機１０１内のユーザ端末３１０（図３）に無線通信サービスを提供する。地上システムは、専用インフラストラクチャを使用するネットワークであってもよいし、既存の携帯電話向けの無線通信システム上に構築されたオーバーレイ・ネットワークであってもよい。
【００１０】
基地局１００は、航空機１０１に搭載された通信装置３０１との間で無線により信号の送受信を行う。各基地局１００によって１つのセルが構成される。セルとは、１つの基地局１００によって無線通信サービスが提供される範囲のことである。セルのサイズ（基地局１００を中心とする半径）は例えば１００キロメートル以上であり、日本国内に８個程度の基地局１００を配置することによって、無線通信システムが日本の航空路空域全体に無線通信サービスを提供できる。隣接する２つの基地局１００の間の距離は、例えば約１００〜２００キロメートルである。
【００１１】
基地局１００は、中継局１０２を介して制御局１０３に接続される。制御局１０３は、基地局と外部ネットワーク１０４とを接続し、航空機１０１内のユーザ端末が外部ネットワーク１０４と通信するためのゲートウェイとして機能する。外部ネットワーク１０４は、例えばインターネットや、携帯電話向けの通信システムのコア・ネットワークなどである。制御局１０３は、基地局１００からのデータやシグナリングを迂回・中継する。
【００１２】
続いて、図２を参照して、基地局１００の構成例について説明する。基地局１００は、アンテナ・アレイ２０１と、制御装置２０２とを備える。アンテナ・アレイ２０１は、複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄによって構成される。図２の例ではアンテナ・アレイ２０１が４つのアンテナ素子によって構成されるが、これに限られず、２個、３個、又は５個以上のアンテナ素子によってアンテナ・アレイ２０１が構成されてもよい。制御装置２０２は、アンテナ・アレイ２０１の動作を制御する。具体的に、制御装置２０２は、アンテナ・アレイ２０１を用いて、航空機に搭載された通信装置３０１と信号を通信する。また、制御装置２０２は、各アンテナ素子のビームの強度やビームの方向を制御する。
【００１３】
説明のために、ｘｙｚ座標系２００を設定する。ｘ方向は地表１０５に対して平行な方向であり、ｙ方向は地表１０５に対して平行であり且つｘ方向に直交する方向であり、ｚ方向は地表１０５に対して直交な方向である。すなわち、ｘｙ平面は地表１０５に水平な面であり、ｚ方向は、重力方向（鉛直方向）の反対向きの方向である。図２（ａ）はｙ方向から基地局１００を見た図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。
【００１４】
アンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄは、ビーム２０３ａ〜２０３ｄをそれぞれ形成する。ビーム２０３ａ〜２０３ｄは何れも２次元ビームである。ビーム２０３ａ〜２０３ｄは、方向２０４ａ〜２０４ｄにそれぞれ延びる。方向２０４ａ〜２０４ｄは何れもｘｚ平面に平行である。また、方向２０４ａ〜２０４ｄは、この順に仰角が小さい。すなわち、ビーム２０３ａはビーム２０３ｂよりも上向きであり、ビーム２０３ｂはビーム２０３ｃよりも上向きであり、ビーム２０３ｃはビーム２０３ｄよりも上向きである。このように各ビーム２０３ａ〜２０３ｄの方向を設定することによって、複数のビーム２０３ａ〜２０３ｄが重力方向に並び、航空機１０１の航空高度に分布する。航空機１０１の航空高度は、例えば地表１０５から約８〜１２キロメートルの範囲である。各アンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄのビーム２０３ａ〜２０３ｄの方向は、アンテナ素子のチルト角を制御することによって設定される。例えば、地表１０５に最も近いビーム２０３ｄを形成するアンテナ素子２０１ｄのチルト角は約０°であり、地表１０５から最も遠いビーム２０３ａを形成するアンテナ素子２０１ａのチルト角は約４０°である。
【００１５】
航空機１０１に搭載された通信装置３０１は、航空機１０１の航行中（特に低高度を航行中）に、ビーム２０３ａ〜２０３ｄの直接波だけでなく、ビーム２０３ａ〜２０３ｄが地表１０５（特に山や丘など）に反射した反射波も受信する。そのため、地表１０５に最も近いビーム２０３ｄの方向２０４ｄ（特に仰角）は、反射波の影響が小さくなるように設定されてもよい。また、反射波の強度は地表１０５の形状によって異なるので、基地局１００ごとに異なるように、ビーム２０３ｄの方向２０４ｄが設定されてもよい。例えば、反射波の影響が大きな第１の基地局１００のビーム２０３ｄによる反射波の影響が第２の基地局１００のものよりも大きい場合に、第１の基地局１００のビーム２０３ｄの仰角を第２の基地局のものよりも大きくしてもよい。このように基地局１００ごとにビームの方向を設定することにより、反射波の影響を小さくしつつ、エリアのカバレジホールを低減できる。
【００１６】
地表１０５から最も遠いビーム２０３ａは仰角が大きいので、衛星通信システムと干渉することがある。そのため、ビーム２０３ａの方向２０４ａは、衛星通信システムとの干渉が小さくなるように設定されてもよい。また、通信衛星の相対位置は基地局１００ごとに異なるので、基地局１００ごとに異なるように、ビーム２０３ａの方向２０４ｄ（特に仰角）が設定されてもよい。
【００１７】
さらに、本実施形態の無線通信システムが既存の携帯電話向けの無線通信システム上に構築されたオーバーレイ・ネットワークである場合に、携帯電話向けの無線通信システムとの干渉を回避するために、地表１０５に最も近いビーム２０３ｄの方向２０４ｄは、ビーム２０３ｄが携帯電話向けの無線通信システムのサービスエリアと重ならないよう設定される。この場合も、基地局１００ごとに異なるように、地表１０５に最も近いビーム２０３ｄの方向２０４ｄが設定されてもよい。このように基地局１００ごとに個別にビーム２０３ａ〜２０３ｄの分布を設定することによって、効率的に無線通信サービスを提供できる。
【００１８】
複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄのそれぞれは、交差偏波を送信可能な構造を有する。そのため、制御装置２０２は、複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄを用いて、交差偏波多重通信（例えば、直交偏波多重通信）を行うことが可能である。これにより空間多重が実現されるので、伝送速度の更なる高速化が実現される。
【００１９】
一部の実施形態では、複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄが同一の信号を送信することによって、複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄにより１つのセルが構成される。図４に示すように１つのセル４０１が複数のセクタ４０２に分割される場合に、複数のアンテナ素子２０１ａ〜２０１ｄにより１つのセクタ４０２が構成され、他の複数のアンテナ素子（不図示）により別の１つのセクタ４０２が構成されてもよい。図４に示すように、複数のセクタ４０２は水平方向に隣接する。重力方向に複数の航空機１０１が重なることは稀であるので、重力方向には単一のセクタ４０２のみが構成されてもよい。これに代えて、重力方向にも複数のセクタ４０２が構成されるようにアンテナ・アレイ２０１を構成することによって、更に通信容量を拡大してもよい。
【００２０】
続いて、図３を参照して、航空機１０１に搭載される通信装置３０１について説明する。通信装置３０１は、基地局１００と通信するとともに、航空機１０１内のユーザ端末３１０（例えば、スマートフォンやノートブック・パソコンなど）とも通信する。すなわち、ユーザ端末３１０は、通信装置３０１を介して基地局１００及びその先の外部ネットワーク１０４と通信する。
【００２１】
通信装置３０１は、アンテナ３０２と、ネットワークインタフェース３０３と、制御部３０４とを備える。アンテナ３０２は、基地局１００のアンテナ・アレイ２０１と通信するためのアンテナである。アンテナ３０２は、航空機１０１の外部に設置される。アンテナ３０２は、例えば指向性アンテナまたは２次元ビーム形成アンテナ・アレイである。ネットワークインタフェース３０３は、ユーザ端末３１０と通信するためのネットワークインタフェースであり、例えば有線通信を行うためのネットワークカードであってもよいし、無線通信を行うためのアンテナであってもよい。ネットワークインタフェース３０３は、航空機１０１の内部に設置される。
【００２２】
制御部３０４は、アンテナ３０２及びネットワークインタフェース３０３による通信を制御する。アンテナ・アレイ２０１が交差偏波多重通信を行うことが可能である場合に、制御部３０４は、交差偏波多重を受信するために、伝搬路を通過時に崩れた偏波間の直交性を再生するための伝搬路等化装置または干渉キャンセル装置を有してもよい。
【００２３】
一部の実施形態において、通信装置３０１は、携帯電話向けの無線通信システム（例えば、ＬＴＥ）のセル（ピコセル）を生成するための基地局として機能する。この場合に、基地局１００と通信装置３０１との間の通信のために、ＬＴＥにおけるＲｅｌａｙ通信機能等を用いることができる。この場合に、基地局１００は、通信装置３０１との無線通信機能だけでなく、制御局１０３との基地局間無線通信であるバックホール通信機能も有する。この場合のバックホール通信は、多重化されて通信される。
【００２４】
一部の実施形態において、通信装置３０１は、無線ＬＡＮ（例えばＷｉＦｉ）のアクセスポイントとして機能する。この場合に、ユーザ端末３１０がＷｉＦｉに準拠していれば、ユーザ端末３１０は通信装置３０１と通信できる。
【００２５】
通信装置３０１の制御部３０４は、航空機１０１に搭載された機器、例えば巡航速度測定機器等の航法システムから供給される飛行データに基づいて、アンテナ３０２により受信された無線信号のドップラー補償と周波数変換との少なくとも一方を実施してもよい。地上システムと通信装置３０１とが互いに異なる２つの中央周波数を用いた無線通信を行う場合に、制御部３０４はこの周波数変換を行う。同一の中央周波数が使用される場合に、制御部３０４は周波数変換を行わなくてもよい。同様に、基地局１００の制御装置２０２は、通信装置３０１から飛行データを受信し、この飛行データに基づいて、アンテナ・アレイ２０１により受信された無線信号のドップラー補償と周波数変換との少なくとも一方を実施してもよい。
【００２６】
さらに、本実施形態に係る無線通信システムの制御局１０３は、航空機１０１に搭載されたＧＰＳ受信機や従来の航空機航法システムから供給される航行データを使用してもよい。この場合、通信装置３０１の制御部３０４が航路、速度などの航行データを航空機内の航行制御システムから取得し、制御局１０３へ送信してもよい。制御局１０３は、取得した航行データを、通信装置３０１のハンドオーバを実行するために利用してもよい。また、通信装置３０１の制御部３０４は、各基地局１００からのリファレンス信号や制御信号などや、航空機１０１の位置情報に基づいて、通信装置３０１と通信を行っていない基地局１００を識別し、この基地局１００からの到来波をデジタル信号処理にてキャンセルしてもよい。
【００２７】
上述の制御装置２０２及び制御部３０４の動作は、コンピュータ・プログラムをＣＰＵ等のプロセッサが実行することによって実施されてもよいし、例えばＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）またはＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）などのハードウェアによって実施されてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１００  基地局、１０１  航空機、１０２  中継局、１０３  制御局、２０１  アンテナ・アレイ、２０２  制御装置、３０１  通信装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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