JP2000224089A

JP2000224089A - 成層圏無線中継システム

Info

Publication number: JP2000224089A
Application number: JP11024433A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Moriya; 秀則守屋; Chuji Tokunaga; 忠次徳永
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】成層圏無線中継システムにおいて、周波数再
利用技術を用いた場合やプラットフォームの移動量が大
きい場合には、通信品質が劣化する。【解決手段】各プラットフォーム１１，１２，１３
は、それぞれビーム照射領域１０１，１０２，１０３に
無線ビームを照射する。ここで、３台のプラットフォー
ム１１，１２，１３は、中央の領域Ａを共通のサービス
エリアとしている。また、３台のプラットフォーム１
１，１２，１３は、風による移動の影響が互いに無相関
になるように十分離れて位置している。すなわち、プラ
ットフォーム１１が風によって移動しても、プラットフ
ォーム１２，１３は、プラットフォーム１１を移動させ
ている風の影響と無相関になるような離れた位置に置か
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無線中継機能を備
えたプラットフォームを成層圏に配置し、成層圏プラッ
トフォームを介して無線通信が行われる成層圏無線中継
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】地上から２０ｋｍ程度の上空に無線中継
機能を備えた飛行船等を配置し、飛行船等を介して地上
通信局や通信端末が通信を行う成層圏無線中継システム
が開発されている。従来の成層圏無線中継システムに
は、例えば特許第２５５５９１０号公報に示されている
ように、成層圏に、無線中継機能を有する１つの気球や
飛行船を置く単一のプラットフォームによる方式があ
る。プラットフォームとは、無線中継機能を有する気球
や飛行船を指す。また、相互にサービスエリアの異なる
複数のプラットフォームを成層圏に置き、プラットフォ
ーム間を光通信で接続して広域の通信ネットワークを構
成する方式もある。プラットフォームは、例えば、地上
の移動端末等に対して通信中継サービスを提供する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、成層圏に置
かれたプラットフォームは、風の影響で水平方向および
垂直方向に移動する可能性がある。その場合、担当して
いる通信サービスエリアを一定とするために、プラット
フォームに搭載されたアンテナの指向方向すなわち利得
パターンを可変する制御を行う必要がある。

【０００４】しかし、周波数を細分化して各サービスエ
リアに細分化された周波数を割り当てて限られた周波数
帯域でより多くの通信容量を得ようとしてマルチビーム
アンテナを用いる場合には利得パターンを高精度で制御
することは難しい。また、プラットフォームの水平方向
の移動量がサービスエリアの拡がりに対して相対的に大
きい場合には、やはり、アンテナの指向方向を精度よく
制御することが難しくなる。プラットフォームにおける
精度のよいアンテナ指向制御や利得パターン制御が実行
されない場合には通信品質が劣化することになる。

【０００５】そこで、本発明は、周波数再利用技術を用
いた場合やプラットフォームの移動量が大きい場合であ
っても、通信品質を劣化させることのない成層圏無線中
継システムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による成層圏無線
中継システムは、複数のプラットフォームによるビーム
照射が重複するエリアが存在し、そのエリアにビームを
照射するプラットフォームは風力による移動が相互に無
相関になる位置に配置されていることを特徴とする。よ
って、そのエリアについては、プラットフォームをダイ
バーシティ構成とすることができ、通信品質を向上させ
ることができる。

【０００７】ビーム照射が重複するエリアにビームを照
射する各プラットフォームとエリア内の通信端末とは、
スペクトル拡散変調によって通信を行うように構成され
ていてもよい。

【０００８】各プラットフォームは、相互に異なる拡散
符号を使用するように構成されていてもよい。その場合
には、プラットフォームで同一周波数が用いられても、
拡散符号の識別によって他のプラットフォームからの周
波数干渉を軽減することができる。

【０００９】各プラットフォームと通信端末とは、他プ
ラットフォームからの干渉雑音が基準値を越えると、デ
ータ通信速度を下げるとともに誤り訂正符号化率を上げ
るように構成されていてもよい。その場合には、通信品
質をさらに向上させることができる。

【００１０】ビーム照射が重複するエリア内の通信端末
は、最も仰角が小さいプラットフォームを選択して通信
相手とするように構成されていてもよい。その場合に
は、プラットフォームまたは通信端末に移動に伴う相対
位置関係の変化を最小化することができる。

【００１１】通信端末は、ビーム方向可変のアンテナ
と、最も仰角が小さいプラットフォームを検出してアン
テナをその方向に向ける制御を行う制御部と、プラット
フォームの像を撮像するためのカメラとを備えた構成で
あってもよい。そのような構成によれば、最も仰角が小
さいプラットフォームを容易に捕捉することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明による成層圏無線
中継システムの一構成例を示すシステム構成図である。
図１には、３つの飛行船によるプラットフォーム１１，
１２，１３が示されている。各プラットフォーム１１，
１２，１３は、それぞれビーム照射領域１０１，１０
２，１０３に無線ビームを照射する。ここで、３台のプ
ラットフォーム１１，１２，１３は、中央の領域Ａを共
通のサービスエリアとしている。すなわち、領域Ａに存
在する通信端末（図示せず）は、いずれのプラットフォ
ーム１１，１２，１３とも通信を行うことができる。

【００１３】また、３台のプラットフォーム１１，１
２，１３は、風による移動の影響が互いに無相関になる
ように十分離れて位置している。つまり、例えば、プラ
ットフォーム１１が風によって移動しても、プラットフ
ォーム１２，１３は、プラットフォーム１１を移動させ
ている風の影響と無相関になるような離れた位置に置か
れている。風による影響は、気象学的知識等にもとづい
て知見可能であるから、風の影響がほぼ無相関になるよ
うに３台のプラットフォーム１１，１２，１３を配置す
ることができる。

【００１４】なお、特許第２５５５９１０号公報に示さ
れているように、一般に、各プラットフォーム１１，１
２，１３には風に抗して位置を修正するような推進力を
発生する機構が搭載されている。

【００１５】そして、各プラットフォーム１１，１２，
１３は、地上局およびサービスエリア内の移動端末等と
の間の無線通信中継を行っている。なお、図１におい
て、領域Ｂは、プラットフォーム１３のみによって通信
サービスが提供されるサービスエリアである。

【００１６】図２は、各プラットフォーム１１，１２，
１３の構成例を示すブロック図である。図２に示す例で
は、各プラットフォーム１１，１２，１３は、アンテナ
１、無線送受信機２、システム制御部３、ＧＰＳアンテ
ナを含むＧＰＳ受信機４、推進力発生機構５およびマル
チビームを形成するビーム形成部８が設けられている。
システム制御部３は、プラットフォームにおける受信状
況を監視して、通信回線とは異なるネットワーク管理用
回線を用いて必要な情報をサービスエリア内の通信端末
や地上局に通知する。また、ＧＰＳ受信機４は、ＧＰＳ
衛星からのデータを受信して自位置を検出し位置情報を
ネットワーク管理用回線を用いてサービスエリア内の通
信端末や地上局に通知する。

【００１７】図３は、通信端末の一例を示す斜視図であ
る。図３に示す通信端末は、キーボード３１およびディ
スプレイ３２を有し、プラットフォームと通信するため
のヘリカルアンテナ３３が設けられている。棒状のヘリ
カルアンテナ３３の先端には、カメラ３４が設置されて
いる。

【００１８】図４は、通信端末の構成例を示すブロック
図である。図４に示すように、通信端末は、ヘリカルア
ンテナ３３を移動させてビーム方向を可変制御するビー
ム制御部４１を有する。また、送受分波器４２、送信部
４３、受信部４４、制御部４５、キーボードインタフェ
ース４６およびディスプレイインタフェース４７を有す
る。制御部４５は、プラットフォームからの位置情報お
よびカメラ３４が捕らえたプラットフォームの像にもと
づいてビーム制御部４１に対してビーム方向を指示す
る。

【００１９】次に動作について説明する。まず、図１に
示された領域Ａに対する中継サービスについて説明す
る。上述したように、３台のプラットフォーム１１，１
２，１３は、風による移動の影響が互いに無相関になる
ように十分離れて位置している。各プラットフォーム１
１，１２，１３は、風に対抗する推進力発生機構５を有
しているのであるが、推進能力を上回る風力を受けた場
合には、そのプラットフォームは移動する。その結果、
そのプラットフォームによるサービスエリアが移動す
る。

【００２０】しかし、各プラットフォーム１１，１２，
１３は垂直および水平方向の移動が無相関になるように
十分離れて配置されているので、あるプラットフォーム
によるサービスエリアが移動しても、他のプラットフォ
ームがサービスエリアをカバーする。すなわち、領域Ａ
内の通信端末は、別のプラットフォーム通信サービスを
受けることができる。つまり、風による移動が相互に無
相関である場合には、相互にサービス中断時間を補完で
きる。

【００２１】例えば、決められた範囲内に時間率９９％
で停留可能な３台のプラットフォーム１１，１２，１３
で領域Ａに対する通信サービスを提供している場合に
は、サービス中断時間率は、１％×１％×１％＝０．００１％となり、通信サービス可能時間率は、１００％−０．００１％＝９９．９９９％となる。

【００２２】すなわち、この実施の形態は、複数のプラ
ットフォーム１１，１２，１３が相互に通信サービスを
補完する一種のダイバーシティ構成となる。よって、単
一のプラットフォームによるシステム、または複数のプ
ラットフォームが別々のサービスエリアを担当するシス
テムに比べて、システム信頼度を高めることができる。

【００２３】ところで、成層圏に配置された複数のプラ
ットフォーム１１，１２，１３が同一の領域Ａに対して
通信サービスを行う場合、それぞれのプラットフォーム
１１，１２，１３が通信回線として互いに異なる周波数
を使用するように割り当てれば、プラットフォームの周
波数干渉を考慮する必要はない。しかし、互いに異なる
周波数を割り当てたのでは、周波数資源が無駄になる。
そこで、周波数再利用技術を用いることが望ましい。

【００２４】例えば、通信端末とプラットフォームとの
間の通信にスペクトル拡散変調を用い、それぞれのプラ
ットフォーム１１，１２，１３との通信において、互い
に異なる拡散符号を使用する。各プラットフォーム１
１，１２，１３におけるシステム制御部３は、使用する
拡散符号を、通信回線とは異なる周波数のネットワーク
管理用回線で通知している。

【００２５】なお、システム制御部３による拡散符号通
知機能は、領域Ａを担当する３台のプラットフォーム１
１，１２，１３のうちの１台が有していてもよい。その
場合には、その１台のプラットフォームから、プラット
フォーム１１，１２，１３との通信において使用すべき
拡散符号の種別が通信端末に通知される。

【００２６】従って、図３および図４に示された通信端
末における制御部４５は、あるプラットフォームとの間
で通信を行う場合に、どのような拡散符号を用いてスペ
クトル拡散変調を行えばよいのか認識できる。制御部４
５は、認識した拡散符号を送信部４３および受信部４４
に通知する。送信部４３および受信部４４は通知された
拡散符号を用いてスペクトル拡散変復調を行う。

【００２７】以上のように、各プラットフォーム１１，
１２，１３との間の通信において、同一周波数を用いて
も、拡散符号の識別によって、他のプラットフォームか
らの周波数干渉を軽減することができる。よって、図１
に示されたような３台のプラットフォーム１１，１２，
１３によるサービスエリア（領域Ａ）を、周波数利用度
を高めた上で構築することができる。

【００２８】しかしながら、単一のプラットフォーム１
３による通信サービスが提供される領域Ｂに比べると、
領域Ａ内での回線品質の低下は否めない。そこで、領域
Ａにおける通信品質の劣化を防ぐために、各プラットフ
ォーム１１，１２，１３におけるシステム制御部３は、
以下のような制御も行う。

【００２９】システム制御部３は、サービスエリア内の
通信端末との通信に対する他のプラットフォームから受
けた干渉が許容値を越えたら、データ伝送速度を下げる
とともに、誤り訂正符号化率を上げるように制御する。
なお、通常、通信端末からのデータには誤り訂正符号が
付加されている。具体的には、システム制御部３は、送
受信機２の受信部における信号電力対雑音電力比を監視
し、その値が基準値を下回ると、干渉が許容値を越えた
と判断する。通信端末側で干渉が許容値を越えているか
否か監視してもよく、その場合、受信データの符号誤り
率が基準値を越えると、干渉が許容値を越えたと判断し
てもよい。

【００３０】システム制御部３は、他のプラットフォー
ムから受けた干渉が許容値を越えたことを検出した場合
には、ネットワーク管理用回線で、通信端末に対して、
データ伝送速度を下げるとともに誤り訂正符号化率を上
げるように通知して実効的な伝送速度が低下しないよう
にする。

【００３１】なお、信号電力対雑音電力比または符号誤
り率を監視することは、他のプラットフォームから受け
た干渉雑音だけでなく自システムの熱雑音も含めた総合
的な雑音が監視されるので、結局、監視のための基準値
に対応した総合雑音が一定値以下に保たれるように制御
されることになる。また、このような可変符号化率通信
方式を採用したときの情報伝送速度低下時でも、通信端
末から見た通信容量はダイバーシティを構成するプラッ
トフォームの数に応じて増えているので、単一のプラッ
トフォームによる領域Ｂにおける情報スループットと遜
色のないスループットを実現できる。

【００３２】すなわち、領域Ａに存在する通信端末は、
例えば９９．９９９％という高い通信サービス可能時間
率を得た上で、領域Ｂにおける通信端末と同程度の通信
品質を得ることができる。

【００３３】図５は、プラットフォーム１１，１２，１
３によるビーム照射切換制御の様子を示す説明図であ
る。図５に示すように、例えば、プラットフォーム１１
は、マルチビームを用い、トラヒック密度の高いエリア
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対して常にビーム照射し、トラヒッ
ク密度の低いエリアＣ４，Ｃ５，Ｃ６に対して間欠的に
ビーム照射する。なお、トラヒックの大小については、
人口密度等にもとづいてあらかじめ決定されている。プ
ラットフォーム１１におけるシステム制御部３は、エリ
アＣ４，Ｃ５，Ｃ６に順次ビーム照射されるように、ビ
ーム形成部８に対して、順次照射エリアを指定する情報
を出力する。ビーム形成部８は、その情報に従って、エ
リアＣ４，Ｃ５，Ｃ６に順次ビームを照射する。

【００３４】よって、エリアＣ４，Ｃ５，Ｃ６に存在す
る通信端末は、時分割で通信サービスを受けることにな
る。しかし、プラットフォーム１１に搭載されている中
継機器は、６つのエリアＣ１〜Ｃ６すべてについて中継
動作を行うのではなく、４つのエリアについて中継動作
を行えばよいので、中継機器の効率利用を図ることがで
きる。以上、プラットフォーム１１について説明した
が、他のプラットフォーム１２，１３も同様のビーム照
射制御を行う。

【００３５】次に、図３および図４に示された通信端末
の動作を説明する。領域Ａに存在する通信端末は、いず
れのプラットフォーム１１，１２，１３とも通信を行う
ことができるのであるが、この実施の形態では、各プラ
ットフォーム１１，１２，１３からの位置情報を受信
し、最も仰角が小さいプラットフォームと通信を行う。

【００３６】通信衛星を介した通信では、通信端末は、
通信対象として最も仰角の大きい衛星を選択することが
多い。しかし、衛星の場合とは異なり、成層圏に位置す
るプラットフォームと通信を行う場合には、ヘリコプタ
のロータブレードなどの天頂方向の障害物が通信回線を
遮断する可能性が高くなる。また、通信対象として最も
近いプラットフォームを選択することも考えられる。し
かし、そのようにした場合には、通信端末が移動可能で
あるときに、通信端末の移動に伴うプラットフォームと
の相対的位置関係の変化が大きくなる。さらに、通信端
末から見通しやすく近い距離にあるプラットフォームに
通信負荷が集中するという問題もある。

【００３７】そこで、この実施の形態では、通信端末
は、プラットフォーム１１，１２，１３からのうちの最
も仰角が小さいプラットフォームを選択する。具体的に
は、通信端末の制御部４５が各プラットフォーム１１，
１２，１３からの位置情報にもとづいて各プラットフォ
ーム１１，１２，１３の仰角を算出する。そして、ビー
ム制御部４１に対してヘリカルアンテナ３３のビームを
最低仰角のプラットフォームに向けるように指示する。

【００３８】ヘリカルアンテナ３３の先端にはカメラ３
４が設置されているので、ヘリカルアンテナ３３が該当
プラットフォームに向けば、カメラ３４はその像を捕ら
える。よって、制御部４５は、プラットフォームが移動
しても、カメラ３４が捕らえた像が映像の中央部にくる
ようにヘリカルアンテナ３３の位置補正を行うことがで
きる。また、カメラ３４による映像は、ディスプレイイ
ンタフェース４７を介してディスプレイ３１に表示され
る。よって、操作者が、ヘリカルアンテナ３３の向きを
補正することもできる。

【００３９】さらに、制御部４５が、プラットフォーム
１１，１２，１３からの位置情報を通知する信号等の受
信レベルを監視して、受信レベルが最大になるようにヘ
リカルアンテナ３３の位置補正を行うようにしてもよ
い。

【００４０】以上のように、この実施の形態では、通信
端末は可視範囲または電波が届く範囲にあるプラットフ
ォーム１１，１２，１３からのうちの最も仰角が小さい
プラットフォームと通信するように構成したので、特定
のプラットフォームに通信負荷が集中したり通信回線が
遮断されてしまう可能性が低減する。さらに、プラット
フォームまたは通信端末に移動に伴う相対位置関係の変
化を最小化することができる。また、上述したように、
通信端末には、プラットフォームの補足を容易にする機
構が備えられているので、最も仰角が小さいプラットフ
ォームを容易に捕捉することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、成層圏
無線中継システムを、複数のプラットフォームによるビ
ーム照射が重複するエリアが存在し、そのエリアにビー
ムを照射するプラットフォームが風力による移動が相互
に無相関になる位置に配置された構成としたので、シス
テムの信頼度を高めることができるとともに通信品質が
向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】成層圏無線中継システムの一構成例を示すシ
ステム構成図である。

【図２】各プラットフォームの構成例を示すブロック
図である。

【図３】通信端末の一例を示す斜視図である。

【図４】通信端末の構成例を示すブロック図である。

【図５】プラットフォームによるビーム照射切換制御
の様子を示す説明図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３プラットフォーム１０１，１０２，１０３ビーム照射領域３３ヘリカルアンテナ３４カメラ４５制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成層圏に配置されたプラットフォームを
介して無線通信を行う成層圏無線中継システムにおい
て、複数のプラットフォームによるビーム照射が重複するエ
リアが存在し、そのエリアにビームを照射するプラットフォームは、風
力による移動が相互に無相関になる位置に配置されてい
ることを特徴とする成層圏無線中継システム。
【請求項２】ビーム照射が重複するエリアにビームを
照射する各プラットフォームとエリア内の通信端末と
は、スペクトル拡散変調によって通信を行う請求項１記
載の成層圏無線中継システム。
【請求項３】各プラットフォームは、相互に異なる拡
散符号を使用する請求項２記載の成層圏無線中継システ
ム。
【請求項４】各プラットフォームと通信端末とは、他
プラットフォームからの干渉雑音が基準値を越えると、
データ通信速度を下げるとともに誤り訂正符号化率を上
げる請求項３記載の成層圏無線中継システム。
【請求項５】ビーム照射が重複するエリア内の通信端
末は、最も仰角が小さいプラットフォームを選択して通
信相手とする請求項１ないし請求項４記載の成層圏無線
中継システム。
【請求項６】通信端末は、ビーム方向可変のアンテナ
と、最も仰角が小さいプラットフォームを検出してアン
テナをその方向に向ける制御を行う制御部と、プラット
フォームの像を撮像するためのカメラとを備えた請求項
５記載の成層圏無線中継システム。