JP7495643B2 - ドップラーシフト補償装置およびドップラーシフト補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、ドップラーシフト補償装置およびドップラーシフト補償方法に関する。

近年、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星により海上や山間部等の地上通信網ではカバーが困難なエリアを含む地球上のあらゆる場所のＩｏＴ端末からのセンサデータ収集を実現する衛星ＩｏＴ（Internet of Things）プラットフォーム（衛星ＩｏＴ－ＰＦ）の検討が行われている（例えば、非特許文献１を参照）。低軌道周回衛星は高速で移動するため、受信された伝送フレームの先頭と末尾でドップラーシフト量が大きく異なる。

非特許文献２には、ドップラーシフトの補償方法として、フレームにプリアンブルとポストアンブルを付加し、プリアンブルとポストアンブルとからフレームの先頭と末尾それぞれのドップラーシフトを求める方法が検討されている。

糸川、五藤、小島、山下、吉澤、坂元、藤野、加藤、中台、「低軌道衛星ＭＩＭＯ技術を活用した９２０ＭＨｚ帯衛星ＩｏＴプラットフォームの提案」、２０２０年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ－１３－１２、２０２０年９月 中村、小川、西村、大鐘、「ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ空間分割多重システムにおけるチャネル及び周波数オフセットの推定」、電子情報通信学会論文誌 Ｂ Ｖｏｌ． Ｊ８８－Ｂ、Ｎｏ．９、 １８１３－１８２０頁、２００５年９月

非特許文献２に記載される手法のように、フレームにプリアンブル及びポストアンブルなどの既知信号系列を付すとフレームにおけるペイロードの割合が減少するため、伝送効率の低下につながる。本発明の目的は、既知信号系列の有無に関わらず、受信信号に含まれるドップラーシフトを補償することができるドップラーシフト補償装置およびドップラーシフト補償方法を提供することにある。

本発明の一態様は、受信装置に対して相対的に移動する送信装置から前記受信装置が受信した受信信号を取得する信号取得部と、ドップラーシフトの変化量の候補に基づいて、前記受信信号のドップラーシフトを補償する補償部と、補償後の前記受信信号の周波数成分のうち所定の閾値以上のパワーを有する帯域の幅が所定値より大きい場合に、前記ドップラーシフトの変化量の候補の値を変更する探索部とを備えるドップラーシフト補償装置である。

本発明の一態様は、受信装置に対して相対的に移動する送信装置から前記受信装置が受信した受信信号を取得するステップと、ドップラーシフトの変化量の候補に基づいて、前記受信信号のドップラーシフトを補償するステップと、補償後の前記受信信号の周波数成分のうち所定の閾値以上のパワーを有する帯域の幅が所定値より大きい場合に、前記ドップラーシフトの変化量の候補の値を変更するステップとを備えるドップラーシフト補償方法である。

上記態様によれば、既知信号系列の有無に関わらず、受信信号に含まれるドップラーシフトを補償することができる。

第１の実施形態による無線通信システムの構成例を示す図である。 第１の実施形態に係る端末信号受信処理部の構成を示す概略ブロック図である。 送信信号の波形と帯域幅の推定値の例を示す図である。 受信信号の波形と帯域幅の推定値の例を示す図である。 受信信号のパワースペクトルを示す図である。 帯域幅１００Ｈｚのバンドパスフィルタを用いて受信信号の移動平均を求めた結果を示す図である。 受信信号のパワースペクトルを示す図である。 受信信号についてＦＦＴサンプルポイントの下端からの累積値を示す図である。 無線通信システムの処理を示すフローチャートである。 移動中継局から基地局ダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システムの処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態における端末信号受信処理部の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る端末信号受信処理部の構成を示す概略ブロック図である。 各実施形態による基地局の機能部のハードウェア構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による無線通信システム１の構成例を示す図である。無線通信システム１は、移動中継局２と、端末局３と、基地局４とを有する。無線通信システム１が有する移動中継局２、端末局３及び基地局４それぞれの数は任意であるが、端末局３の数は多数であることが想定される。

移動中継局２は、移動体に搭載される。移動中継局２は、通信可能なエリアが時間の経過により移動する中継装置の一例である。移動中継局２は、例えば、ＬＥＯ（Low Earth Orbit）衛星に備えられる。ＬＥＯ衛星の高度は２０００ｋｍ以下であり、ＬＥＯ衛星は１周約１．５時間程度で地球を周回する。端末局３及び基地局４は、地上や海上などの地球上に設置される。端末局３は、例えば、ＩｏＴ端末である。端末局３は、センサが検出した環境情報等（例えば、気温）のデータを収集し、移動中継局２へ無線により送信する。同図では、端末局３は一例として２台である。移動中継局２は、地球の上空を移動しながら、複数の端末局３それぞれから送信されたデータを無線信号により受信し、受信したこれらのデータを基地局４へ無線送信する。基地局４は、端末局３が移動中継局２から収集したデータを受信する。

移動中継局として、静止衛星や、ドローン、ＨＡＰＳ（High Altitude Platform Station）などの無人航空機に搭載された中継局（中継装置）を用いることが考えられる。しかし、静止衛星に搭載された中継局の場合、地上のカバーエリア（フットプリント）は広いものの、高度が高いために、地上に設置されたＩｏＴ端末に対するリンクバジェットは非常に小さい。一方、ドローンやＨＡＰＳに搭載された中継局の場合、リンクバジェットは高いものの、カバーエリアが狭い。さらには、ドローンにはバッテリーが必要であり、ＨＡＰＳには太陽光パネルが必要である。本実施形態では、ＬＥＯ衛星に移動中継局２が搭載される。よって、所定の限界内にリンクバジェットが収まる。また、ＬＥＯ衛星は大気圏外を周回するので、ＬＥＯ衛星の空気抵抗が少なく、ＬＥＯ衛星の燃料消費も少ない。さらに、ドローンやＨＡＰＳに中継局が搭載される場合と比較して、ＬＥＯ衛星のフットプリントは大きい。

しかしながら、ＬＥＯ衛星に搭載された移動中継局２は、高速で移動しながら通信を行うので、無線信号にドップラーシフトが発生する。また、ＬＥＯ衛星に搭載された中継局（中継装置）のリンクバジェットは、ドローンやＨＡＰＳに中継局が搭載される場合と比較して小さい。そこで、移動中継局２は、端末局３から複数アンテナにより無線信号を受信し、複数アンテナによって無線信号を基地局４に送信する。複数アンテナを用いた通信のダイバーシティー効果と、ビームフォーミング効果とによって、通信品質を高めることができる。本実施形態では、移動中継局２は、複数アンテナを用いて端末局３から受信された無線信号を、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）を用いて基地局４に中継する。

各装置の構成を説明する。
移動中継局２は、Ｎ本のアンテナ２１（Ｎは２以上の整数）と、端末通信部２２と、データ記憶部２３と、基地局通信部２４と、複数本のアンテナ２５とを備える。Ｎ本のアンテナ２１は、アンテナ２１－１～２１－Ｎと表記される。

端末通信部２２は、Ｎ個の受信部２２１と、Ｎ個の周波数変換部２２２と、Ｎ個の波形記録部２２３とを有する。Ｎ個の受信部２２１は、受信部２２１－１～２２１－Ｎと表記される。Ｎ個の周波数変換部２２２は、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎと表記される。Ｎ個の波形記録部２２３は、波形記録部２２３－１～２２３－Ｎと表記される。受信部２２１－ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）は、アンテナ２１－ｎによって、端末アップリンク信号を受信する。周波数変換部２２２－ｎは、受信部２２１－ｎが受信した信号を周波数変換し、ベースバンド信号を得る。波形記録部２２３－ｎは、周波数変換部２２２－ｎによって得られたベースバンド信号をサンプリングすることで波形データを生成し、データ記録部２３に蓄積する。波形記録部２２３－ｎによるサンプリングレートは、端末アップリンク信号の帯域幅の２倍以上の周波数である。

基地局通信部２４は、端末アップリンク信号をＭＩＭＯによって基地局４に中継する機能部である。基地局通信部２４は、記憶部２４１と、制御部２４２と、送信データ変調部２４３と、ＭＩＭＯ送信部２４４とを備える。記憶部２４１は、移動中継局２を搭載しているＬＥＯ衛星の軌道情報と、基地局４の位置とに基づいて、予め計算された送信開始タイミングを記憶する。また、記憶部２４１は、各アンテナ２５から送信する基地局ダウンリンク信号の送信時刻毎のウェイト（重み）を、予め記憶している。送信時刻は、例えば、送信開始タイミングからの経過時間として表されてもよい。送信時刻毎のウェイトは、ＬＥＯ衛星の軌道情報と、各アンテナ局４１の位置とに基づいて導出される。ＬＥＯの軌道情報は、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度及び移動方向などを得ることが可能な情報である。なお、基地局ダウンリンク信号の送信時刻毎のウェイトは、送信時刻によらずに一定でもよい。

制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングにおいて受信波形情報を基地局４に送信するように、送信データ変調部２４３及びＭＩＭＯ送信部２４４を制御する。さらに、制御部２４２は、記憶部２４１から読み出された送信時刻毎のウェイトを、ＭＩＭＯ送信部２４４に指示する。送信データ変調部２４３は、受信波形情報を送信データとしてデータ記憶部２３から読み出す。送信データ変調部２４３は、読み出された送信データをパラレル信号に変換し、パラレル信号を変調する。送信データ変調部２４３は、変調されたパラレル信号を、ＭＩＭＯ送信部２４４に出力する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、制御部２４２から指示されたウェイトを用いてパラレル信号に対して重み付けを実行することによって、各アンテナ２５から送信される基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、生成された基地局ダウンリンク信号を、ＭＩＭＯによりアンテナ２５から送信する。

端末局３は、データ記憶部３１と、送信部３２と、１本または複数本のアンテナ３３とを備える。データ記憶部３１は、センサデータなどを記憶する。送信部３２は、センサデータを端末送信データとしてデータ記憶部３１から読み出す。送信部３２は、読み出された端末送信データを含む端末アップリンク信号（無線信号）を、アンテナ３３から送信する。送信部３２は、例えばＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）を用いて、無線信号を送信する。ＬＰＷＡには、ＬｏＲａＷＡＮ（登録商標）、Ｓｉｇｆｏｘ（登録商標）、ＬＴＥ－Ｍ（Long Terｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）、ＮＢ（Ｎａｒｒｏｗ Ｂａｎｄ）－ＩｏＴ、ＩＥＥＥ８０２．１５．４ｋ、ＥＬＴＲＥＳ（登録商標）等の無線通信方式があるが、任意の無線通信方式を用いることができる。これらの通信方式は、１フレームの長さが数百ミリ秒から２秒程度であるため、その先頭と末尾のドップラーシフト量の差は数百Ｈｚほどとなり、受信精度に対する影響が大きい。特にＳｉｇｆｏｘ（登録商標）については、１チャネルが１００Ｈｚ幅という狭帯域であるため、フレームの先頭と末尾で周波数が数チャネル分シフトすることになり、受信精度に対する影響が非常に大きい。また、送信部３２は、時分割多重、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多重）、ＭＩＭＯなどにより、他の端末局３との通信を実行してもよい。送信部３２は、使用される無線通信方式において予め決められた方法により、自局が端末アップリンク信号の送信に使用するチャネル及び送信タイミングを決定する。また、送信部は、使用される無線通信方式において予め決められた方法に応じて、複数本のアンテナ３３から送信される無線信号のビームを形成してもよい。

基地局４は、複数のアンテナ局４１と、ＭＩＭＯ受信部４２と、基地局信号受信処理部４３と、端末信号受信処理部４４とを備える。

アンテナ局４１は、移動中継局２の複数のアンテナ２５それぞれから送信された無線信号の到来角差が大きくなるように、他のアンテナ局４１から互いに離れた位置に配置される。各アンテナ局４１は、移動中継局２から受信された基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換し、変換された電気信号をＭＩＭＯ受信部４２に出力する。

ＭＩＭＯ受信部４２は、複数のアンテナ局４１から受信された基地局ダウンリンク信号を集約する。ＭＩＭＯ受信部４２は、ＬＥＯ衛星の軌道情報と各アンテナ局４１の位置とに基づいて、各アンテナ局４１が受信した基地局ダウンリンク信号に対する受信時刻毎のウェイト（重み）を記憶している。この受信時刻は、受信開始のタイミングからの経過時間として表されてもよい。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から入力された基地局ダウンリンク信号に対して、その基地局ダウンリンク信号の受信時刻に対応したウェイトを乗算する。また、ＭＩＭＯ受信部４２は、ウェイトが乗算された受信信号を合成する。なお、受信時刻によらずに、同じウェイトが用いられてもよい。基地局信号受信処理部４３は、合成された受信信号を周波数変換することによって、ベースバンド信号を得る。さらに基地局信号受信処理部４３は、ベースバンド信号を復号することで、移動中継局２の各アンテナ２１に対応する波形データを再生する。

端末信号受信処理部４４は、基地局信号受信処理部において再生された複数の波形データに基づいて端末アップリンク信号の受信処理を行う。端末信号受信処理部４４は、波形データが示す信号のシンボルを復号し、端末局３から送信された端末送信データを得る。

図２は、第１の実施形態に係る端末信号受信処理部４４の構成を示す概略ブロック図である。
端末信号受信処理部４４は、分配部４４１、フレーム抽出部４４２、フィルタ部４４３、記憶部４４４、最大値算出部４４５、探索部４４６、補償部４４７、スペクトル変換部４４８、帯域幅特定部４４９、補償判定部４５０、ビームフォーミング部４５１、端末信号復号部４５２を備える。

分配部４４１は、基地局信号受信処理部４３から取得した波形データを、移動中継局２のアンテナ２１別の波形データに分配する。分配部４４１は、受信装置が送信装置から受信した受信信号を取得する信号取得部の一例である。各波形データは、移動中継局における受信信号の波形を表す。フレーム抽出部４４２は、信号取得部が取得した各波形データから、端末局３による端末アップリンク信号のフレームを抽出する。例えば、フレーム抽出部４４２は、波形データのうち時間領域での信号レベルが閾値を超える区間を、フレームとして抽出する。フレームの抽出に用いる閾値は、予め計測された移動中継局２の受信部２２１で生じる雑音部分の時間領域でのレベルにマージンを持たせた値に設定される。以下、フレーム抽出部４４２が抽出したフレーム、すなわち移動中継局２において受信された波形のフレームを、受信フレームと記載する。

フィルタ部４４３は、各受信フレームについて、受信フレームに係る周波数帯域を抽出するようにフィルタリングする。例えば、予めＬＥＯ衛星の軌道情報が表すＬＥＯ衛星の高度と移動速度に基づいてドップラーシフトの変化幅を計算することができるため、フィルタ部４４３は、ドップラーシフトの変化幅にマージンを持たせた周波数帯に係るバンドパスフィルタにより受信フレームをフィルタリングする。

記憶部４４４は、基地局４の位置データとＬＥＯ衛星の軌道データとを記憶する。基地局４の位置データは、例えば緯度及び経度によって表される。ＬＥＯ衛星の軌道データは、任意の時刻におけるＬＥＯ衛星の位置、速度、移動方向などを得ることが可能なデータである。基地局４の位置データとＬＥＯ衛星の軌道データとに基づいて、基地局４とＬＥＯ衛星とが最も近接するときの距離を求めることができる。なお、移動中継局２の受信ビームが地表に略直交する場合、ＬＥＯ衛星の高度を基地局４とＬＥＯ衛星とが最も近接するときの距離とみなしてもよい。

最大値算出部４４５は、ＬＥＯ衛星の軌道データに基づいて地表に対するＬＥＯ衛星の高度を求め、当該高度に基づいて受信信号に生じるドップラーシフトの変化量の最大値を算出する。ドップラーシフトの大きさｆ（ｘ）は、ＬＥＯ衛星の位置ｘの関数として、以下の式（１）によって求めることができる。

式（１）において、ｃは光速である。式（１）において、ｖはＬＥＯ衛星のアジマス方向の速度である。式（１）において、ｄは、ＬＥＯ衛星と基地局４とが最も近接するときの距離である。式（１）において、ｘは、ＬＥＯ衛星の軌道に沿った座標軸におけるＬＥＯ衛星の位置である。当該座標軸は、ＬＥＯ衛星と基地局４とが最も近接する位置を原点とする。Ｆは、移動中継局２による送信信号の周波数である。
最大値算出部４４５は、上記式（１）に基づき、ｆ（０）の微分値を求めることで、ドップラーシフトの変化量の最大値を求める。

探索部４４６は、最大値算出部４４が算出したドップラーシフトの変化量の最大値に基づいて、ドップラーシフトの変化量の探索範囲を決定する。探索部４４６は、決定した探索範囲について、三分探索によりドップラーシフトの変化量を探索する。具体的には、探索部４４６は、以下の手順でドップラーシフトの変化量を探索する。

探索部４４６は、探索範囲の３３パーセンタイルの値と、探索範囲の６６パーセンタイルの値とをそれぞれドップラーシフトの変化量の候補に決定する。以下、探索範囲の３３パーセンタイルの候補を下位候補、探索範囲の６６パーセンタイルの候補を上位候補とよぶ。探索部４４６は、下位候補による受信信号の補償結果と上位候補による受信信号の補償結果の少なくとも何れか一方がドップラーシフトの許容値以下である場合に、探索を終了する。ドップラーシフトの許容値は、当該許容値以下のドップラー変化を含む信号であれば当該信号の無線方式において復号が可能な値に設定される。他方、下位候補による受信信号の補償結果と上位候補による受信信号の補償結果の何れもがドップラーシフトの許容値を超える場合、探索部４４６は、下位候補による受信信号の補償結果と上位候補による受信信号の補償結果のうちドップラーシフトが小さい方を特定する。探索部４４６は、探索範囲のうちドップラーシフトが大きい方の端を、上位候補及び下位候補のうちドップラーシフトの大きい方の値に変更することで、探索範囲を狭める。探索部４４６は、これを繰り返すことで、ドップラーシフトの変化量を探索する。探索部４４６は、補償後の受信信号の帯域幅が所定値より大きい場合に、ドップラーシフトの変化量の候補の値を変更する変更部の一例である。

補償部４４７は、探索部４５が決定した上位候補及び下位候補のそれぞれに基づいて、受信フレームのドップラーシフト変化を補償する。具体的には、補償部４４７は、受信フレームを単位時間ごとに分割し、分割した各部分フレームを、受信時刻に応じたドップラーシフト量だけ周波数シフトすることで、ドップラーシフト変化を補償する。このとき、補償部４４７は、フレームの先頭の時刻からの経過時間にドップラーシフトの変化量を乗算することで、受信時刻に応じたドップラーシフト量を得る。以下、補償部４４７によってドップラーシフト変化を補償された受信フレームを、補償済フレームという。

スペクトル変換部４４８は、フィルタリングされた受信フレームを周波数スペクトルに変換する。スペクトル変換部４４８は、例えばＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により受信フレームの周波数スペクトルを得る。

帯域幅特定部４４９は、スペクトル変換部４４８によって得られた周波数スペクトルに基づいて信号の帯域幅を特定する。例えば、帯域幅特定部４４９は、スペクトル変換部４４８によって得られた周波数スペクトルのうち、ＦＦＴ区間の総電力の所定割合（例えば９９％）を占める帯域幅を信号の帯域幅として特定する。図３Ａ及び図３Ｂは、総電力の割合に基づいて帯域幅を特定する例を示す図であり、ベースバンド信号の９９％帯域幅の推定例を示す。図３Ａは、送信信号の波形と帯域幅の推定値の例を示す図である。図３Ｂは、受信信号の波形と帯域幅の推定値の例を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、横軸が周波数、縦軸が電力密度を表す。ここで、送信信号帯域幅を１００Ｈｚとし、ドップラーシフトは、周波数の減少方向にフレーム内で線形に０－３００Ｈｚとなるように与えた。図３Ａによれば、送信信号の９９％帯域幅推定値は、９８．４１６Ｈｚを示している。図３Ｂによれば、受信信号の９９％帯域幅推定値は３７１．８９６Ｈｚとなる。

また例えば、帯域幅特定部４４９は、ＦＦＴ区間よりも狭いバンドパスフィルタを周波数領域でスライドさせながら周波数スペクトルの電力の移動平均値を計算し、電力の変化点（移動平均波形において電力が閾値を超える点、移動平均波形の変曲点など）を２点算出することで、その差分を信号の帯域幅として特定する。図４Ａ及び図４Ｂは、移動平均された周波数スペクトルの電力の変化点に基づいて帯域幅を特定する例を示す図である。図４Ａは受信信号のパワースペクトルを示す図である。横軸がＦＦＴのサンプルポイントを表し、縦軸がパワースペクトルを表す図である。送信信号の帯域幅及びドップラーシフトの条件は図３Ｂと同じである。図４Ｂは、帯域幅１００Ｈｚのバンドパスフィルタを用いて受信信号の移動平均を求めた結果を示す図である。図４Ｂに示すように、移動平均をとることで、雑音成分によるパワースペクトルの急激な変動を軽減できることがわかる。図４Ｂに示す例において、検出する変化点の数を２とした。ここでは、横軸方向の平均値の変化が最大となる点を変化点として抽出した。図４Ｂに示すように、図４Ａに示す受信信号から求められた２つの変化点間の帯域は３８６．５Ｈｚとなった。図４Ｂに示すように、帯域幅特定部４４９は、移動平均をとることで雑音成分の変化を緩やかにできるため、信号帯域と雑音帯域の境目をより明確化することが可能となる。

また例えば、帯域幅特定部４４９は、ＦＦＴ区間のスペクトル電力の累積値を計算し、その傾きを線形回帰等の手法によって求めた後、累積値を表す累積度数グラフにおいて傾きが変化する２点間の帯域を信号帯域幅とする。図５Ａ及び図５Ｂは、周波数スペクトルの累積値の変化点に基づいて帯域幅を特定する例を示す図である。図５Ａは受信信号のパワースペクトルを示す図である。図５Ａにおいて、横軸がＦＦＴのサンプルポイントを表し、縦軸がパワースペクトルを表す。図５Ｂは、受信信号について、ＦＦＴサンプルポイントの下端からの累積値を示す図である。変数ｘをＦＦＴサンプルポイント、ｙ（ｘ）をｘにおけるパワースペクトルとすると、ｘ＝ｘ’における累積値は下記の式（２）で与えられる。

図５Ｂにおいて、実線は累積値を示し、破線は線形回帰結果を示す。傾きの変化点の検出には、例えば、線形回帰の結果と各サンプルの二乗平均誤差が最小となる区間を求める等の手法を用いる。この手法では、図５Ｂに示すように、電力の変化を基に帯域幅を推定するため、雑音電力と信号電力の区別が可能となる。

補償判定部４５０は、補償部４４７が生成した補償済フレームの帯域幅をフレーム長で除算した値が、所定の許容値以下であるか否かを判定する。

ビームフォーミング部４５１は、補償済フレームのうち、各アンテナ２１において同じ時刻に受信されたものを、当該時刻における端末局３と移動中継局２の相対位置に応じたゲイン及び位相シフトを用いて、移動中継局２の受信ビームが端末局３へ向くように合成する。以下、ビームフォーミング部４５１によって合成された補償済フレームを、合成フレームという。なお、他の実施形態においては、端末信号受信処理部４４はビームフォーミング部４５１に代えて各受信フレームを加算合成する合成部を備えてもよい。この場合、端末局３が送信した信号には相関があるので、その信号は加算合成によって強調される。また加算合成によって、その信号にランダムに付加されている雑音の影響は低減される。そのため、移動中継局２が同時に１台の端末局３からのみ受信した端末アップリンク信号についてはダイバーシティー効果が得られる。また、移動中継局２が同時に複数台の端末局３から受信した端末アップリンク信号については、加算合成は、ＭＩＭＯ通信を行うことに相当する。

端末信号復号部４５２は、合成フレームの復号を行うことで端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信されたデータを得る。なお、端末信号復号部４５２は、ＳＩＣのように、計算負荷が大きな復号方式を用いることも可能である。

次に、無線通信システム１の動作を説明する。
図６は、無線通信システム１の処理を示すフローチャートである。端末局３は、端末局３に備えられたセンサ（不図示）が検出したデータを随時取得し、取得されたデータをデータ記憶部３１に書き込む（ステップＳ１１１）。送信部３２は、センサデータを端末送信データとしてデータ記憶部３１から読み出す。送信部３２は、移動中継局２を搭載したＬＥＯ衛星の軌道情報に基づいて予め導出された送信開始タイミングにおいて、端末送信データを含む端末アップリンク信号をアンテナ３３から無線送信する（ステップＳ１１２）。端末局３は、ステップＳ１１１からの処理を繰り返す。

移動中継局２の受信部２２１－１～２２１－Ｎは、端末局３から送信された端末アップリンク信号を受信する（ステップＳ１２１）。なお、移動中継局２は、端末アップリンク信号の送信タイミングを知らないので、受信対象エリアの上空に到来してから通過するまでの間、継続してステップＳ１２１による信号の受信を行う。送信元の端末局３の無線通信方式によって、同一の周波数については時分割で１台の端末局３からのみ端末アップリンク信号を受信する場合と、同一の周波数で同時に複数台の端末局３から端末アップリンク信号を受信する場合とがある。周波数変換部２２２－ｎは、対応する受信部２２１－ｎが受信した信号の周波数変換によりベースバンド信号に変換する（ステップＳ１２２）。波形記録部２２３－ｎは、対応する周波数変換部２２２－ｎが得たベースバンド信号をサンプリングして波形データを生成する。波形記録部２２３－ｎは、波形データと、受信時刻と、アンテナ２１－ｎのアンテナ識別子とを対応付けた受信波形情報を、データ記憶部２３に書き込む（ステップＳ１２３）。移動中継局２は、ステップＳ１２１からの処理を繰り返す。

図７は、移動中継局２から基地局ダウンリンク信号を送信する場合の無線通信システム１の処理を示すフローチャートである。移動中継局２の基地局通信部２４が有する制御部２４２は、記憶部２４１に記憶された送信開始タイミングであることを検出すると、受信波形情報の送信を送信データ変調部２４３及びＭＩＭＯ送信部２４４に指示する（ステップＳ１３１）。送信データ変調部２４３は、データ記憶部２３に蓄積していた受信波形情報を送信データとして読み出す。送信データ変調部２４３は、読み出された送信データをパラレル信号に変換し、パラレル信号を変調する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、送信データ変調部２４３が変調した送信データに対して、制御部２４２から指示されたウェイトにより重み付けを実行する。これによって、ＭＩＭＯ送信部２４４は、各アンテナ２５から送信される基地局ダウンリンク信号を生成する。ＭＩＭＯ送信部２４４は、生成された各基地局ダウンリンク信号を、ＭＩＭＯによってアンテナ２５から送信する（ステップＳ１３２）。移動中継局２は、ステップＳ１３１からの処理を繰り返す。

基地局４は、基地局ダウンリンク信号をＭＩＭＯによって移動中継局２から受信する（ステップＳ１４１）。具体的には、各アンテナ局４１は、移動中継局２から受信した基地局ダウンリンク信号を電気信号に変換し、変換された電気信号を受信信号としてＭＩＭＯ受信部４２に出力する。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１から受信した受信信号のタイミングを同期させる。ＭＩＭＯ受信部４２は、各アンテナ局４１が受信した受信信号にウェイトを乗算し、ウェイトが乗算された受信信号を加算する。基地局信号受信処理部４３は、加算された受信信号を復調する（ステップＳ１４２）。基地局信号受信処理部４３は、復調された受信信号を復号して得られた受信波形情報を、端末信号受信処理部４４に出力する。端末信号受信処理部４４は、受信波形情報が示す端末アップリンク信号の受信処理を行う（ステップＳ１４３）。基地局４は、ステップＳ１４１からの処理を繰り返す。

図８は、第１の実施形態における端末信号受信処理部４４の動作を示すフローチャートである。端末信号受信処理部４４の分配部４４１は、基地局信号受信処理部４３から取得した波形データを、移動中継局２のアンテナ２１別の波形データに分配する（ステップＳ３０１）。フレーム抽出部４４２は、ステップＳ３０１で取得した各波形データから受信フレームを抽出する（ステップＳ３０２）。最大値算出部４４５は、記憶部４４４が記憶する基地局４の位置データとＬＥＯ衛星の軌道データとに基づいて基地局４とＬＥＯ衛星とが最も近接するときの距離を求める（ステップＳ３０３）。最大値算出部４４５は、算出した距離に基づいて受信信号に生じるドップラーシフトの変化量の最大値を算出する（ステップＳ３０４）。以下、基地局４は、ステップＳ３０２で抽出した受信フレームを１つずつ選択し（ステップＳ３０５）、選択した受信フレームについて以下のステップＳ３０６からステップＳ３１５の処理を実行する。

フィルタ部４４３は、ステップＳ３０３で選択した受信フレームについてドップラーシフトの変化幅に基づく周波数帯域でフィルタリングする（ステップＳ３０６）。探索部４４６は、ドップラーシフトの変化量の探索範囲を、ゼロからステップＳ４で算出した最大値までに決定する（ステップＳ３０７）。

探索部４４６は、探索範囲の３３パーセンタイルの値を下位候補に決定し、探索範囲の６６パーセンタイルの値を上位候補に決定する（ステップＳ３０８）。補償部４４７は、ステップＳ３０８で決定した上位候補及び下位候補のそれぞれに基づいて、ステップＳ３０５で選択された受信フレームのドップラーシフトを補償する（ステップＳ３０９）。

スペクトル変換部４４８は、ステップＳ３０９による各補償済フレームを周波数スペクトルに変換する（ステップＳ３１０）。帯域幅特定部４４９は、ステップＳ３１０で得られた各周波数スペクトルに基づいて各補償済フレームの帯域幅を特定する（ステップＳ３１１）。補償判定部４５０は、ステップＳ３１１で特定した各帯域幅をフレーム長で除算した値の少なくとも何れか一方が、許容値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３１２）。すなわち、補償判定部４５０は、下位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量と、上位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量の少なくとも何れか一方が、許容値以下であるか否かを判定する。

下位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量と、上位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量の両方が、許容値を超える場合（ステップＳ３１２：ＮＯ）、探索部４４６は、下位候補による補償済フレームの帯域幅が上位候補による補償済フレームの帯域幅より小さいか否かを判定する（ステップＳ３１３）。下位候補による補償済フレームの帯域幅が上位候補による補償済フレームの帯域幅より小さい場合（ステップＳ３１３：ＹＥＳ）、探索部４４６は、探索範囲の上限を、上位候補の値に変更する（ステップＳ３１４）。他方、下位候補による補償済フレームの帯域幅が上位候補による補償済フレームの帯域幅以上である場合（ステップＳ３１３：ＮＯ）、探索部４４６は、探索範囲の下限を、下位候補の値に変更する（ステップＳ３１５）。そして、基地局４は、処理をステップＳ３０８に戻し、ドップラーシフトの変化量の探索を継続する。

下位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量と、上位候補による補償済フレームに残留するドップラーシフトの変化量の少なくとも一方が、許容値以下である場合（ステップＳ３１２：ＹＥＳ）、補償部４４７は、ドップラーシフトの変化量が小さい方の補償済フレームをビームフォーミング部４５１に出力する。

補償部４４７が各受信フレームについての補償済フレームを出力すると、ビームフォーミング部４５１は、各アンテナ２１において同じ時刻に受信された補償済フレーム同士を合成し、受信時刻ごとの合成フレームを得る（ステップＳ３１６）。端末信号復号部４５２は、各合成フレームの復号を行うことで、端末アップリンク信号のシンボルを復号し、端末局３から送信されたデータを得る（ステップＳ３１７）。

このように、第１の実施形態に係る基地局４は、複数のドップラーシフトの変化量の候補に基づいて受信信号のドップラーシフトの補償を繰り返し実行し、ドップラーシフトの最適解を探索する。これにより、基地局４は、受信信号に既知信号系列が含まれているか否かに関わらず、受信信号に含まれるドップラーシフトを補償することができる。

また、第１の実施形態に係る基地局４は、基地局４とＬＥＯ衛星とが最も近接するときの距離からドップラーシフトの変化量の最大値を求める。これにより、基地局４は、過大な変化量の候補についての試行がなされることを防ぎ、探索の効率化を図ることができる。なお、軌道情報が既知であれば、ＬＥＯ衛星と最も近接するときの距離は、予め計算しておくことができる。この場合、基地局４は、予め記憶部４３に基地局４とＬＥＯ衛星とが最も近接するときの距離、または当該距離から求められるドップラーシフトの変化量の最大値を記憶しておいてもよい。

また、第１の実施形態に係る基地局４は、三分探索によりドップラーシフトの変化量を探索する。これにより、基地局４は、ドップラーシフトの変化量を効率よく探索することができる。他方、他の実施形態においてはこれに限られず、基地局４は、逐次探索など他の探索方法でドップラーシフトの変化量を探索してもよい。また第１の実施形態に係る三分探索は、探索範囲の３３パーセンタイルと６６パーセンタイルの値を候補とするが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、探索範囲の２５パーセンタイルと７５パーセンタイルの値を候補としてもよい。また例えば、他の実施形態においては、黄金比に基づいて探索範囲を分割する黄金分割探索を行ってもよい。黄金分割探索も三分探索の一例である。

〈第２の実施形態〉
第１の実施形態に係る基地局４は、ドップラーシフトの変化量の上位候補及び下位候補の初期値を、ゼロから最大値までの探索範囲の３３パーセンタイル及び６６パーセンタイルに決定する。これに対し、第２の実施形態に係る基地局４は、移動中継局２の位置を推定し、上述の式（１）からドップラーシフトの変化量を推定する。基地局４は、推定値に基づいて上位候補及び下位候補の初期値を決定することで、第１の実施形態と比較して短い時間でドップラーシフトの変化量を探索することができる。

図９は、第２の実施形態に係る端末信号受信処理部４４の構成を示す概略ブロック図である。第２の実施形態に係る端末信号受信処理部４４は、第１の実施形態の構成に加え、粗推定部４５３を備える。

粗推定部４５３は、フィルタ部４４３によってフィルタリングされた同時刻に係る受信フレームの位相シフト量を変えながら合成することで、アンテナ２１－１～２１－Ｎによる受信ビーム又はヌルを走査することでフレームの到来方向を推定する。粗推定部４５３は、信号の到来方向と記憶部４４４が記憶するＬＥＯ衛星の軌道データとに基づいて、ＬＥＯ衛星の位置を推定する。粗推定部５１は、フレームの受信時刻と記憶部４４４が記憶するＬＥＯ衛星の軌道データとに基づいて、ＬＥＯ衛星の位置ｘを推定してもよい。粗推定部４５３は、式（１）に示すｆ（ｘ）の微分値を求めることで、ドップラーシフトの変化量を推定する。

第２の実施形態に係る探索部４４６は、粗推定部４５３が推定した変化量と、粗推定部４５３による変化量の推定誤差とに基づいて、探索範囲を決定する。例えば、探索範囲は、推定された変化量から推定誤差を減算した値から推定された変化量に推定誤差を加算した値までの範囲に決定される。また、探索部４４６は、探索範囲をゼロ以上、最大値算出部４４５が算出した最大値以下の範囲に抑える。これにより、探索部４４６は、探索範囲の初期値を狭めることができる。

このように、第２の実施形態に係る基地局４は、ＬＥＯ衛星の位置を推定することで、ドップラーシフトの変化量の探索範囲を狭めることができる。これにより、基地局４は、少ない試行回数で最適解を探索することができる。

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

上述した実施形態では、基地局４がドップラーシフト補償装置として機能し、送信装置である端末局３と受信装置である移動中継局２との通信におけるドップラーシフトを補償するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、移動中継局２が受信信号のドップラーシフトを補償してもよい。この場合、移動中継局２は受信装置及びドップラーシフト補償装置の一例である。また基地局４の受信処理部４８が、基地局４と移動中継局２との通信におけるドップラーシフトを補償してもよい。この場合、移動中継局２は送信装置の一例であり、基地局は受信装置及びドップラーシフト補償装置の一例である。

また、上述した実施形態では、基地局４と移動中継局２とがＭＩＭＯによる通信を行うが、これに限られず、基地局４及び移動中継局２の少なくとも一方が１つのアンテナを用いて通信を行うものであってもよい。つまり、シフト特定部４４６は、補償後の受信フレームの帯域幅が小さくなるように、受信フレームにおける時間に対するドップラーシフトの変化量を表す凸関数の方向を決定する。

また、上述した実施形態では、移動中継局２が受信信号をベースバンド信号に変換して基地局４に送信するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、周波数変換部２２２－１～２２２－Ｎを基地局４が備え、移動中継局２がＲＦ帯の受信信号の波形データを基地局４に送信してもよい。

図１０は、各実施形態による基地局４の機能部のハードウェア構成例を示す図である。上述した各実施形態における移動中継局２、端末局３、及び基地局４の一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

すなわち、無線通信システムの各機能部のうちの一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ１００が、不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）を有するメモリ１０２に記憶されたプログラムを実行することにより、ソフトウェアとして実現される。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置１０１などの非一時的な記録媒体である。無線通信システムの各機能部のうちの一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）又はＦＰＧＡ等を用いた電子回路（electronic circuit又はcircuitry）を含むハードウェアを用いて実現されてもよい。

１…無線通信システム，
２…移動中継局，
３…端末局，
４…基地局，
２１－１～２１－Ｎ…アンテナ，
２２…端末通信部，
２３…データ記憶部，
２４…基地局通信部，
２５…アンテナ，
３１…データ記憶部，
３２…送信部，
３３…アンテナ，
４１…アンテナ局，
４２…ＭＩＭＯ受信部，
４３…基地局信号受信処理部，
４４…端末信号受信処理部，
２２１－１～２２１－Ｎ…受信部，
２２２－１～２２２－Ｎ…周波数変換部，
２２３－１～２２３－Ｎ…波形記録部，
２４１…記憶部，
２４２…制御部，
２４３…送信データ変調部，
２４４…ＭＩＭＯ送信部，
４４１…分配部
４４２…フレーム抽出部
４４３…フィルタ部
４４４…記憶部
４４５…最大値算出部
４４６…探索部
４４７…補償部
４４８…スペクトル変換部
４４９…帯域幅特定部
４５０…補償判定部
４５１…ビームフォーミング部
４５２…端末信号復号部
４５３…粗推定部

Claims (5)

1. 受信装置に対して相対的に移動する送信装置から前記受信装置が受信した受信信号を取得する信号取得部と、
   ドップラーシフトの変化量の候補に基づいて、前記受信信号のドップラーシフトを補償する補償部と、
   補償後の前記受信信号の周波数成分のうち所定の閾値以上のパワーを有する帯域の幅が所定値より大きい場合に、前記ドップラーシフトの変化量の候補の値を変更する変更部と
   を備えるドップラーシフト補償装置。
2. 前記送信装置と前記受信装置とが最も近接するときの距離と、前記送信装置と前記受信装置の相対移動速度とに基づいて、ドップラーシフトの変化量の最大値を算出する最大値算出部と、
   前記変更部は、前記候補の値をゼロ以上前記最大値以下の値に変更する
   請求項１に記載のドップラーシフト補償装置。
3. 前記補償部は、ドップラーシフトの変化量の第１候補及び第２候補それぞれについて、前記受信信号のドップラーシフトを補償し、
   前記変更部は、前記第１候補及び前記第２候補に基づく三分探索により前記第１候補及び前記第２候補の値を変更する
   請求項２に記載のドップラーシフト補償装置。
4. 前記受信装置から見た前記送信装置の経路と前記受信信号の受信時刻とに基づいて、前記受信信号のドップラーシフトの変化量を推定する推定部を備え、
   前記変更部は、前記候補の値を、推定した前記変化量を含む探索範囲内の値に変更する
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載のドップラーシフト補償装置。
5. 受信装置に対して相対的に移動する送信装置から前記受信装置が受信した受信信号を取得するステップと、
   ドップラーシフトの変化量の候補に基づいて、前記受信信号のドップラーシフトを補償するステップと、
   補償後の前記受信信号の周波数成分のうち所定の閾値以上のパワーを有する帯域の幅が所定値より大きい場合に、前記ドップラーシフトの変化量の候補の値を変更するステップと
   を備えるドップラーシフト補償方法。

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